基于ARM的鋼絲生產線矢量控制系統技術改造方案的設計與應用

王紅艷，楊育宏

WANG Hong-yan,YANG Yu-hong

（常州輕工職業技術學院 電氣系 ,常州 213164）

1 設計背景

筆者曾參加某鋼鐵公司鋼絲生產線拉絲機控制系統的技術改造工程。該廠的活套式拉絲機等主要設備是上世紀六十年代從日本進口的，由直流電機拖動。目前，為提高產品競爭力要對拉絲的生產工藝進行改進，需將拉絲機連續拉拔次數由過去的五、六次提高到現在的八、九次。

新工藝對拉絲機的調速范圍、調速精度、轉矩特性、動靜態特性提出更高要求，同時，由于生產環境粉塵大、濕度大，這些物質能很容易地進入直流電機內部，導致電機發生短路、整流子磨損嚴重等故障，嚴重影響正常生產。因此，在技術經濟比較后，決定進行技術改造，采用交流變頻電機矢量控制方案。活套式拉絲機是鋼絲生產線的主要設備，由轉筒與活套構成，工作原理如圖1所示。

拉絲時，較粗直徑的鋼絲經過第1個拉模到第1個轉筒，經活套再通過第2個拉模到第2個轉筒，一般至少經過6次，才能制成各種規格的成品，卷形銷售。每個轉筒、每個活套分別由一臺電機拖動。鋼絲通過拉模時，由于拉模是錐形的，鋼絲被強迫變形而直徑變小，鋼絲每通過一個拉模，直徑與長度都發生變化，但每個轉筒之間的金屬絲流量應保持相等，這樣，只要調整好每個轉筒的速度，就可以實現轉筒之間金屬流量相等，做到正常拉拔。

要調整好每個轉筒的速度，需調節好每個電機的轉速。而電機轉速是轉矩的積分，積分的時間常數由電機的機械系統慣性決定，一般恒定不變，所以，電機調速的關鍵在于對轉矩的控制與調節。各類電機的電磁轉矩Ta都有一個統一的表達式：

可以看出，通過控制定子磁勢F1的幅值或轉子磁勢F2的幅值及它們在空間的電角度φ1、φ2，就可以控制電磁轉矩，（P為磁極對數）。F1或F2的幅值可以通過控制異步電機定子三相電流的幅值來實現，φ1、φ2可通過控制三相電流瞬時相位來實現，因此，只要能對三相電流實施瞬時控制就能實現對電磁轉矩的瞬時控制。

2 矢量控制方案

矢量控制的基本思想是通過坐標變換的方法把異步電機定子電流矢量分解成解耦的按轉子磁場定向的勵磁電流與轉矩電流兩個直流分量，然后，分別控制這兩個直流分量實現對電磁轉矩的控制，從而達到調速目的。

圖1 活套式拉絲機工作原理

三相交流異步電機是一個多變量、高階、強耦合、非線性的復雜系統，可以通過CLARK、PARK、旋轉矢量坐標變換的方法簡化成M-T軸系下的數學模型：

因為實際當中采用的是籠型電機，所以，轉子電壓為零，即urm＝urt＝0，進而推導出矢量控制系統所依據的控制方程

這樣，可將三相靜止坐標系下的交流繞組等效為兩相同步旋轉坐標系下的直流繞組。當三相繞組通入的電壓、電流為正弦函數時，在M-T坐標系中得到的電壓、電流變量為純勵磁、轉矩直流標量，二者完全解耦，互不影響，為矢量控制取代直流控制提供了理論依據。

M-T軸系按轉子磁鏈定向，M軸定向時由于轉子的角速度并不等于轉子磁鏈的角速度，所以，需利用可以測量的轉速信號，通過轉子磁鏈的電流模型，實時計算轉子磁鏈的幅值與相位，從而實現定向。

3 具體設計內容

3.1 電機的選型

拉絲機采用變頻電機拖動。目前，市場份額較大的產品主要有西門子與三菱兩大品牌，通過技術經濟比較后選擇三菱電機。經實際測算，拉絲機需要提供90KW功率，按照電機容量略有裕度的原則，電機選定為110KW，額定電壓400V。交流電機的額定電壓的選擇是按照業內普遍認可的“交流電機的額定電壓按照額定功率來選擇的原則”。一般情況下，200KW以下交流電機選用380V額定電壓，200KW以上交流電機才選用10KV額定電壓。

3.2 控制方案的確定

根據“電機功率在75KW以下選用電壓型變頻器、280KW以上選用電流型變頻器、75～280KW之間根據實際情況決定”的原則，設計方案選用通用型交-直-交電壓型變頻器，原因是技術成熟、便于學習掌握。其主回路包括變頻電機、整流單元、濾波回路、逆變單元、制動單元、啟動單元，控制回路包括ARM微控制器、信號檢測單元等、電流環、速度環雙環控制。

3.3 變頻電路的設計

1）逆變單元是變頻電路的核心部件。由于智能功率模塊（IPM）采用高速、低耗的IGBT芯片和優化的門極驅動，還具備過熱保護、短路保護等功能，安全運行的可靠性很高，故逆變單元選用三菱公司的智能功率模塊。IPM是按照“根據IPM的過電流動作數值來確定峰值電流及適當的熱設計以保證結溫峰值永遠小于最大結溫額定值（150℃），使基板的溫度保持低于過熱動作數值”的原則來選用的。

峰值電流ICM由電機額定功率P、變頻器最大過載因數OL、電流脈動因數R、功率因數cosφ、三相交流線電壓UAC而決定。

計算可得，峰值電流約515A，所以選擇三菱PM600HSA120模塊，其額定電流600A、承受電壓1200V、最小過電流動作數值740A。該模塊為單管封裝，故需要6塊。

2）整流單元由于直流母線不需要調壓，所以，選用二極管三相橋式全波整流電路，整流后的直流母線電壓約519V。因此，選用三菱RM200DA-20F整流模塊，其額定電流為200A，最高反向電壓1000V，完全滿足電機額定電流的要求。

3）濾波環節：電壓型變頻器的直流母線采用電解電容進行濾波。濾波電容量由電容放電時間tf、直流電壓波動幅度a%與變頻器等效電阻R決定。

經計算，電容放電時間tf約2ms、變頻器等效電阻R約2Ω、直流電壓波動幅度a%設定為5%，最終可得電解電容應至少約為20720uF。為此，選擇14支400V、6800 uF鋁電解電容，兩個串聯為一組，七組并聯。

4）制動電阻與啟動電阻的選用：一般認為電機制動時最大有70%的能量消耗于制動電阻R，R由直流母線最大電壓U、電機額定功率決定。

制動時直流母線最大電壓約700V，經計算，R約為7Ω、70KW，選用富士制動單元BU132-4C，能夠與110KW～132KW電機配套使用。

啟動電阻是為了限制變頻器送電時產生的較大的充電電流，電容充電結束后，會通過晶閘管將啟動電阻短路。一般情況下，啟動電阻在10～50Ω、10～50W。

5）控制電路選用荷蘭飛利浦公司生產的LPC2210芯片。它是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，用來完成矢量控制計算、PWM脈沖的產生、相關電流、電壓的檢測處理。

6）轉速檢測元件的選型是速度閉環控制的關鍵，轉速檢測的精度將直接影響調速系統的控制精度和穩定性。為了擴大調速范圍、改善低速平穩性，要求測速元件低速輸出穩定、紋波小、線性度好。比較后選用光電脈沖編碼器，其原因是可直接與計算機接口，不需要A/D轉換，抗干擾能力強、測速范圍廣、低慣量、低噪聲、高分辨率。

3.4 軟件設計

矢量控制系統的程序設計包括主程序與中斷服務程序及各個子程序。

1）系統主程序設計采用順序式結構往復運行，運行中可被中斷，執行完中斷子程序后返回斷點處繼續執行主程序。主要功能包括系統對ARM及其外圍設備進行初始化工作，然后設置相應允許中斷、必要的運行參數和控制循環標記的設置，之后進入后臺等待狀態，隨時響應各中斷，運行中斷程序。

2）矢量控制中斷服務程序包括CLARK變換、PARK變換、SVPWM調制、轉子磁鏈位置計算、T軸與M軸電流PID調節等程序。其工作過程為：電流采樣、速度采樣均由定時器下溢中斷觸發。定時器下溢中斷服務模塊的主要工作是將采集的電流信號處理為電壓信號，作為電流環的反饋信號；按矢量控制計算得到轉子磁場角、定子電流轉矩分量與勵磁分量；空間矢量模塊通過判斷電壓矢量的大小和位置決定電壓實時調制脈寬和載波頻率，從而輸出變壓、變頻的PWM波。

圖2 電機帶載過程的相電流波形及轉速動態響應曲線圖

3）故障處理中斷程序的設計：系統出現故障報警時，使系統產生中斷，CPU響應中斷，完成讀取故障寄存器判斷故障的原因，對PWM寄存器進行相應操作，封鎖PWM信號，斷開主電路。

4 實際效果

如圖2所示，在運行過程中，電機實際電流波形基本為正弦波，雖略微有些毛刺，但高次諧波含有率小于5%，不會對計算機等產生干擾，電機的脈動轉矩較小、發熱情況正常，沒有產生不良后果。

實際轉速波形與給定轉速波形也非常接近，實際轉速能實現對給定轉速的良好跟蹤。動態過程的超調量控制在2%～5%，調整時間在0.2～0.5s，振蕩次數基本為1次，說明系統動態過程平穩。實踐證明，技術改造結果完全滿足生產過程的動態指標。

由于使用封閉式交流電機，電機因生產環境導致的短路故障大為下降，節省了大量的故障維修費用；由于沒有電刷、換向器，電機日常維護量也大幅度減少，節省了大量的備品備件及人工費用。

[1] 李華德. 交流調速控制系統[M]. 電子工業出版社,2004：94-147.

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