基于DSP的異步電機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計

　　0 引言

　　隨著現(xiàn)代控制理論、微處理技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，基于矢量控制的高性能交流傳動系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標，再利用坐標變換，就可以把定子電流中的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量獨立開來分別進行控制。這就是矢量控制的出發(fā)點。SVPWM調(diào)制技術(shù)把逆變器和電機看成一個整體來處理，所得模型簡單，便于處理器實時控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲低、電壓利用率高等優(yōu)點。本文以TI公司的專用電機控制芯片TMS320F2812為核心，給出了整個異步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，并通過實驗驗證了其有效性。

　　1 異步電機矢量控制原理

　　矢量控制技術(shù)自從上世紀60、70年代開始，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者就已經(jīng)進行了潛心的研究，因此，矢量控制技術(shù)發(fā)展至今，內(nèi)容已經(jīng)非常豐富。本文只討論基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制原理。

　　1．1 異步電機控制的數(shù)學(xué)模型

　　鼠籠式異步電機在d，q兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型的電壓方程為：

　　其中：usd和usq分別為d，q旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子電壓；isd和isq分別為d，q旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子電流；ird和irq分別為d，q旋轉(zhuǎn)坐標系下的轉(zhuǎn)子電流；Rs和Ls分別為定子繞組的電阻與自感；Rr和Lr分別為定子繞組的電阻與自感；Lm為定轉(zhuǎn)子互感；P為微分算子；ω1為同步旋轉(zhuǎn)角頻率；ωs為轉(zhuǎn)差角頻率；

　　將轉(zhuǎn)子磁鏈矢量定在d軸方向上，可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子磁鏈為：

　　其中：Tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)。

　　由式(2)可見，調(diào)節(jié)定子電流的isd分量可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁鏈ψr，而當(dāng)保持該定子電流磁通分量不變時，轉(zhuǎn)子磁通保持不變。其轉(zhuǎn)矩方程為：

　　其中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為電機的極對數(shù)；由式(3)可見，控制定子電流isq分量可以控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te，通過該轉(zhuǎn)矩分量可以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，圖1所示是其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。

　　該控制系統(tǒng)所檢測的兩相定子電流經(jīng)Clarke與Park變換后可產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩電流分量和勵磁電流分量，然后結(jié)合檢測轉(zhuǎn)速并通過電流模型計算坐標變換所需的磁鏈角。檢測轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后將生成轉(zhuǎn)矩給定值。轉(zhuǎn)矩電流分量與勵磁電流分量的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)可產(chǎn)生u小M。給定值，并在通過旋轉(zhuǎn)坐標變換后輸入SVPWM模塊以產(chǎn)生6路PWM波，從而控制逆變器。

　　1．2 SVPWM原理

　　電壓空間矢量PWM技術(shù)是SPWM技術(shù)與電機磁鏈圓形軌跡直接結(jié)合的一種方法。它從電動機角度出發(fā)，直接以電動機磁鏈圓形軌跡控制為目的，該方法不僅在控制上與SPWM的效果相同，而且更直觀，物理意義更明晰，實現(xiàn)起來也很方便。SVPWM調(diào)制方法是利用交替使用不同的電壓空間矢量(六個基本電壓矢量和兩個零矢量)合成實現(xiàn)的。參考矢量合成規(guī)則是：由當(dāng)前參考矢量所在扇區(qū)的兩個電壓矢量分別作用一定時間合成所得。為了補償參考矢量的旋轉(zhuǎn)頻率，設(shè)計時需要插入零矢量。

　　2 控制系統(tǒng)硬件組成

　　本系統(tǒng)主電路由整流電路、中間直流電容濾波和IGBT模塊封裝逆變器等組成。控制電路采用TI公司的電機專用控制芯片TMS320F2812為核心，由DSP最小系統(tǒng)板與控制底板構(gòu)成，用以實現(xiàn)采樣調(diào)理、矢量控制及SVPWM調(diào)制算法等。此外，該控制系統(tǒng)還包括隔離開關(guān)電源、PWM驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、以及霍爾電流傳感器等輔助電路，其中開關(guān)電源為整個控制電路提供多路隔離電源，其控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

　　2．1 定子電流檢測

　　通過霍爾電流傳感器可將采樣得到的兩相定子電流經(jīng)過調(diào)理電路后送入DSP的AD口，以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其采樣轉(zhuǎn)換過程如圖3所示。

　　2．2 轉(zhuǎn)速檢測

　　通過智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀可檢測轉(zhuǎn)速。當(dāng)測速碼盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，可通過光電開關(guān)輸出具有一定周期寬度的脈沖信號，這樣，根據(jù)碼盤的齒數(shù)和輸出信號的頻率，即可計算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

　3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　控制系統(tǒng)軟件主要分為兩部分：一是控制系統(tǒng)主程序，包括系統(tǒng)初始化、定時器初始化、使能定時器下溢中斷與CPU中斷、其他系統(tǒng)模塊參數(shù)初始化等；二是中斷子程序，包括ADC模塊、CLARKE／PARK變換模塊、Id／Iq與速度PID模塊、PARK逆變換模塊、SVPWM模塊、速度計算模塊、電機電流模型計算模塊等。整個系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　4 實驗結(jié)果

　　通過實驗可對上述矢量控制算法進行實驗驗證，實驗時，可選功率開關(guān)管的開關(guān)頻率為5kHz，死區(qū)為5．2μs。電機為4極三相籠型異步電機，其額定參數(shù)為：PN=3 kW，UN=220V，IN=7．5A，fN=50 Hz，nN=1500 r／min。圖5所示是實驗得出的結(jié)果和響應(yīng)曲線。

　　該實驗結(jié)果顯示，該控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性。

　　5 結(jié)束語

　　本文以TI公司的電機控制專用DSP芯片TMS320F2812為基礎(chǔ)，采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向控制和SVPWM調(diào)制技術(shù)，構(gòu)建了一種異步電機矢量控制系統(tǒng)，并通過實驗驗證了該控制算法的正確性和有效性，具有一定的實用價值。