关於Q矢量

变频调速技术是提高传动系统控制性能、实现节能的重要途径〔1，2〕。目前国内数控机床主轴伺服系统主要采用直流伺服系统，而部分采用交流调速的主轴伺服系统则全部依赖进口，价格昂贵，其它异步机交流传动系统绝大多数也采用进口变频器，这不但使国家损失大量外汇，而且严重制约了我国电力电子领域高新技术产业的形成和发展。国内对变频调速技术的研究较多，但形成产品并推广应用的较少。一般的变频器大多采用V/F控制，存在着控制精度低、动态性能差、故障率高、控制功能少等缺点，尤其不适用于诸如数控机床主轴伺服等要求高精度、快响应的传动机械。

本文设计了一类由IGBT、MCS96系列CPU芯片支持的全数字转差式矢量控制系统。该系统具有精度高，调速范围宽，动态响应快，节能效果显著，可靠性高，谐波电流小，对电网污染小，安全可靠，保护功能齐全等显著优点，不仅使用于数控机床主轴伺服传动，而且还可广泛用于普通机床、风机、水泵及其它传动机械的速度控制。

2 控制策略

矢量变换控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的，具有先进性、新颖性和实用性的特点。矢量控制是把交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标变换的方法把交流电机定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量，并对这两个分量进行控制。矢量控制所依据的异步机数学模型是按转子磁场定向的异步电动机电压方程〔3〕：

依此可推导出如下矢量控制基本方程为

M、T坐标以同步角速度ωs旋转，M轴与转子磁通Ψr重合，θM为转子磁通定向角，随时间变化，即

定子三相电流iA、iB和iC经过坐标变换，得到同步旋转M、T坐标的两个电流分量iM和iT,它们之间的变换关系为

根据上述原理，得到矢量控制系统的框图如图1所示。

图中逆变器采用电流跟踪型PWM逆变器，励磁给定φr由ωr/φr函数发生器获得，转矩给定Tm由速度调节器ST给出。矢量控制器根据φr和Tm算出励磁电流给定iT和转差角频率给定ωf。ωf与电动机转速ωr相加得到定子角速度ωs，再经积分，即得转子磁通的相位信号θM。

三相电流iA、iB和iC经矢量转换器得到磁场定向电流分量iM和iT。iM和iT分别与iM，iT比较，其偏差ΔiM、ΔiT通过三级磁滞控制器输出dM、dT。dM、dT和θM形成一个数据字，该数据字通过开关控制表选择相应的电压矢量，同时产生一组开关脉冲SA，SB，SC，这样就能及时而准确地控制逆变器，以获得优良的调速性能。

3 系统硬件设计

该变频器采用交直交电压型结构和SPWM磁通矢量控制方式，主回路主要由整流电路、滤波器及逆变电路等组成。其逆变电路则由IGBT模块组成，控制部分以80C196双CPU为核心，构成功能齐全的全数字化转差矢量控制系统。系统采用通用性模块化结构，全部硬件如下：

系统硬件框图如下：

CPU1#主要完成转速环的工作，完成转速检测、转速给定的A/D采样、键盘输入、参数修改、状态显示、保护功能及故障自诊断等功能。CPU1#最重要的任务是完成转速调节器和转差调节器的数字实现，向CPU2#提供指令信号iM、iT、ωf。

CPU2#主要完成电流环的工作，通过12位A/D获取三相电流和电压信号值，而后从共享RAM中得到CPU1#提供的指令值及其它重要的系统参数。根据矢量变换原理进行矢量变换运算，组成转矩角生成器、转子磁通位置合成器、MT/ABC旋转变换器、电压矢量优化器、零矢量作用时间决定器及电流滞环比较器等环节，完成矢量控制的主要工作。输出的控制电压矢量进入8255组成的互锁驱动信号电路，通过光电耦合器进入IGBT基极驱动电路。

4 系统软件设计

在本双机系统中，CPU1#主要完成转速外环的调节工作，同时给CPU2#提供PWM资源，CPU2#则主要完成电流内环的调节工作，两者共享8155内部RAM的资源。系统实时性要求较强，鉴于此，系统软件用汇编语言中的原码无符号数进行运算，以模块化方式如下编制：

由于本系统是通过控制定子电流的瞬时位置和幅值大小来控制电机的转矩和转速的，所以电流跟随特性是实现该方案的关键。通过采用先进的CPU2#芯片，改进程序设计，极大地提高了系统的运算速度。

这里采用的是三电流滞环比较方案，即利用CPU2#得到三相电流给定值，由三路霍尔元件直接测量三相实际电流的大小，两者作为电流滞环比较器的输入进行比较，得到各相输出电压矢量控制信号。另外，它还可以预防由于A/D环节采样来的实际电流值的不确定性而造成的系统运算误差甚至错误。每路输出信号控制一相桥臂晶体管的开通与关断，使每相的电流偏差变化能够控制在滞环宽度以内。滞环宽度越小，开关频率也将越高，相电流也越接近正弦波。但是频率的大小还受限于开关元件的开关频率极限能力。为了尽量降低元件的开关频率，本方案优化了输出的电压矢量，灵活地插入了零电压矢量，实际运行中可看出，它有效地降低了电机运行中的高次谐波分量，电流波形得到明显的改善，提高了本系统的稳定度，明显降低了主回路的热损耗。 5 保护电路设计

众所周知，检测、保护电路是变频器的生命线，设计周密、功能完善的检测及保护回路历来是至关重要的。控制板从主回路检测的信号共有6种，这些信号用来完成矢量控制算法和各种保护功能。

51 电流检测及过流保护电路

电流检测信号来自逆变器U、V两相输出端的霍尔元件，霍尔元件通过插座CN2获得15V电源。U、V两相电流检测信号经首级运放A6和A5放大20倍后送入两级运放A8和A7(如图3所示)。

调整两级运放的放大倍数即可确定过流保护动作值。U、V两相电流通过反相加法器A9叠加获得W相电流信号。U、V、W各相电流分别同时送入两个比较器的正、反相输入端。比较器正、反相输入端的参考电压分别为+10V和-10V。当三相电流正常时其对应的电压在±10V之间，六个比较器相与后输入为1，此信号经三极管反相后送入由多谐振荡器D4528组成的单稳态触发器，-Q输出为0，比较器A17、A18输出信号也应为0，保护电路不动作。一旦过流，比较器相与输出信号为0，D4528的输入信号(12脚)为1，其输出经单稳延时后才变为1，通过三极管N2放大后去关闭GTR的驱动信号并通知CPU发出过电流报警信号。单稳态触发器的作用是避免一些干扰信号或瞬间尖峰电流造成的保护电路误动作。

52 过压和欠压保护电路

直流电压检测从中间直流回路两端采集信号(如图4所示)。直流高电压(约600V)经R61、R62分压后，分别送至四个比较器A1～A4的正相输入端与四个参考电压A、B、C、D比较，以完成过压和欠压保护并通知CPU发出相应的报警信号。

比较器参考电压取自电阻R51～R57组成的分压器，10V标准电压经电阻分压后取出四个不同的参考电压分别送至四个比较器的反相输入端，比较器输出信号经光耦隔离、阻容滤波之后再经施密特反相器把信号送至CPU进行处理。其余三个比较器的周围电阻参数均相同。

正常状态下，电压取样值(3V左右)处于B点和C点的电位之间，比较器A1、A2输出1，A3、A4输出0。B、C间的电压范围较大，当电源电压在300～460V间变化时，变频器正常工作。A、B和C、D间的电压范围均较小，一旦电压处于此范围外，变频器便发出过压或欠压预报警信号，按预定的控制顺序关机。

53 过热检测电路

厢体内四块散热器上各安装一只热敏元件PTH5～PTH8，四只热敏元件串联后接光耦元件P4，其原理图见图5。正常状态下，热敏元件为常闭触点，光耦导通输出信号为0；当散热片过热时热敏元件断开，光耦截止输出信号为1，该信号经RC滤波后去关闭GTR的驱动信号并通知CPU发出过热报警信号。

54 接地故障检测电路

接地故障检测是通过套在主回路上的线圈来检测三相电流平衡程度来实现的，其原理图见图6。正常时光耦截止输出为1。当某相对地漏电时，三相电流不平衡，检测线圈感生电势使光耦P512导通，发出故障信号。

55 熔断器熔断检测电路

熔断器检测是从F两端取电压信号，其原理图见图6。快熔正常时，两端电压极小，保护电路不动作。当快熔因过流烧断时，两端电压变高，光耦导通发出故障信号，经两个施密特反相器驱动后送至CPU。

56 转速采样

本系统要求转速采样信号准确，一般的测速器件难以满足要求，为此我们采用1024高分辨率的旋转编码器。利用A、B两相信号，通过光耦隔离输入数字测速单元。

6 实验结果及结论

这里给出了容量为22kVA的变频器的主要技术指标：输出电流为31A，基速为1500r/min，调速范围为50～4800r/min，速度控制精度小于最高转速的02%(10%～100%负载)。

图7给出了三电流滞环控制及优化电压矢量控制变频器在10Hz时的输出电压和输出电流波形，从实际波形中可看出，电流中高次谐波分量很小。

图8所示是本系统的动态响应曲线。系统进入稳态后突加负载(TL=50Nm)，最大动态速降仅为9r/min，恢复时间也极短。本系统在空载和负载条件下均无稳态误差，并且动态响应快、无速度超调，抗干扰能力强。

总之，该变频器总体设计周密，结构复杂、性能优良、保护功能齐全，已取得较好的推广应用效果。

矢量和指方向与大小的和。

矢量亦称“向量”有些物理量,是由数值大小和方向才能完全确定的物理量,这些量之间的运算并不遵循一般的代数法则,在相加减时它们遵从几何运算法则这样的量叫“物理矢量”如速度、加速度、位移、力、冲量、动量

位图

位图图像(bitmap)：

亦称为点阵图像或绘制图像，是由称作像素（元素）的单个点组成的。这些点可以进行不同的排列和染色以构成图样。当放大位图时，可以看见赖以构成整个图像的无数单个方块。扩大位图尺寸的效果是增多单个像素，从而使线条和形状显得参差不齐。然而，如果从稍远的位置观看它，位图图像的颜色和形状又显得是连续的。在体检时，工作人员会给你一个本子，在这个本子上有一些图像，而图像都是由一个个的点组成的，这和位图图像其实是差不多的。由于每一个像素都是单独染色的，您可以通过以每次一个像素的频率操作选择区域而产生近似相片的逼真效果，诸如加深阴影和加重颜色。缩小位图尺寸也会使原图变形，因为此举是通过减少像素来使整个图像变小的。同样，由于位图图像是以排列的像素集合体形式创建的，所以不能单独操作（如移动）局部位图。

处理位图时要着重考虑分辨率

处理位图时，输出图像的质量决定于处理过程开始时设置的分辨率高低。分辨率是一个笼统的术语，它指一个图像文件中包含的细节和信息的大小，以及输入、输出、或显示设备能够产生的细节程度。操作位图时，分辨率既会影响最后输出的质量也会影响文件的大小。处理位图需要三思而后行，因为给图像选择的分辨率通常在整个过程中都伴随着文件。无论是在一个300 dpi的打印机还是在一个2570dpi的照排设备上印刷位图文件，文件总是以创建图像时所设的分辨率大小印刷，除非打印机的分辨率低于图像的分辨率。如果希望最终输出看起来和屏幕上显示的一样，那么在开始工作前，就需要了解图像的分辨率和不同设备分辨率之间的关系。显然矢量图就不必考虑这么多。

RGB

位图颜色的一种编码方法，用红、绿、蓝三原色的光学强度来表示一种颜色。这是最常见的位图编码方法，可以直接用于屏幕显示。

CMYK

位图颜色的一种编码方法，用青、品红、黄、黑四种颜料含量来表示一种颜色。常用的位图编码方法之一，可以直接用于彩色印刷。

索引颜色/颜色表

位图常用的一种压缩方法。从位图中选择最有代表性的若干种颜色（通常不超过256种）编制成颜色表，然后将中原有颜色用颜色表的索引来表示。这样原可以被大幅度有损压缩。适合于压缩网页图形等颜色数较少的图形，不适合压缩照片等色彩丰富的图形。

Alpha通道

在原有的编码方法基础上，增加像素的透明度信息。图形处理中，通常把RGB三种颜色信息称为红通道、绿通道和蓝通道，相应的把透明度称为Alpha通道。多数使用颜色表的位图格式都支持Alpha通道。

色彩深度

色彩深度又叫色彩位数，即位图中要用多少个二进制位来表示每个点的颜色，是分辨率的一个重要指标。常用有1位（单色），2位（4色，CGA），4位（16色，VGA），8位（256色），16位（增强色），24位和32位（真彩色）等。色深16位以上的位图还可以根据其中分别表示RGB三原色或CMYK四原色（有的还包括Alpha通道）的位数进一步分类，如16位位图还可分为R5G6B5，R5G5B5X1（有1位不携带信息），R5G5B5A1，R4G4B4A4等等。

矢量图

计算机中显示的图形一般可以分为两大类——矢量图和位图。矢量图使用直线和曲线来描述图形，这些图形的元素是一些点、线、矩形、多边形、圆和弧线等等，它们都是通过数学公式计算获得的。例如一幅花的矢量图形实际上是由线段形成外框轮廓，由外框的颜色以及外框所封闭的颜色决定花显示出的颜色。由于矢量图形可通过公式计算获得，所以矢量图形文件体积一般较小。矢量图形最大的优点是无论放大、缩小或旋转等不会失真。Adobe公司的Illustrator、Corel公司的CorelDRAW是众多矢量图形设计软件中的佼佼者。大名鼎鼎的Flash MX制作的动画也是矢量图形动画。

矢量图像，也称为面向对象的图像或绘图图像，在数学上定义为一系列由线连接的点。矢量文件中的图形元素称为对象。每个对象都是一个自成一体的实体，它具有颜色、形状、轮廓、大小和屏幕位置等属性。既然每个对象都是一个自成一体的实体，就可以在维持它原有清晰度和弯曲度的同时，多次移动和改变它的属性，而不会影响图例中的其它对象。这些特征使基于矢量的程序特别适用于图例和三维建模，因为它们通常要求能创建和操作单个对象。基于矢量的绘图同分辨率无关。这意味着它们可以按最高分辨率显示到输出设备上。

矢量图与位图最大的区别是,它不受分辨率的影响。因此在印刷时,可以任意放大或缩小图形而不会影响出图的清晰度

矢量图：是根据几何特性来绘制图形，矢量可以是一个点或一条线，矢量图只能靠软件生成，文件战用内在空间较小，因为这种类型的图像文件包含独立的分离图像，可以自由无限制的重新组合。它的特点是放大后图像不会失真，和分辨率无关，文件占用空间较小，适用于图形设计、文字设计和一些标志设计、版式设计等。