《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電子元器件應(yīng)用
余勝 西南交通大學(xué)
摘要: 本文以TI公司的專用電機(jī)控制芯片TMS320F2812為核心,,給出了整個異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。
Abstract:
Key words :

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(jī)是一個多變量、強(qiáng)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(biāo),再利用坐標(biāo)變換,,就可以把定子電流中的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量獨(dú)立開來分別進(jìn)行控制,。這就是矢量控制的出發(fā)點(diǎn),。SVPWM調(diào)制技術(shù)把逆變器和電機(jī)看成一個整體來處理,,所得模型簡單,,便于處理器實(shí)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(diǎn)。本文以TI公司的專用電機(jī)控制芯片TMS320F2812為核心,,給出了整個異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。


1 異步電機(jī)矢量控制原理
    矢量控制技術(shù)自從上世紀(jì)60,、70年代開始,,國內(nèi)外眾多專家學(xué)者就已經(jīng)進(jìn)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(jī)控制的數(shù)學(xué)模型
    鼠籠式異步電機(jī)在d,,q兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(biāo)系下的定子電壓,;isd和isq分別為d,,q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流;ird和irq分別為d,,q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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?zhǔn)噶慷ㄔ赿軸方向上,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(jī)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(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te,,通過該轉(zhuǎn)矩分量可以調(diào)節(jié)電機(jī)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(jì)算坐標(biāo)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(biāo)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(jī)磁鏈圓形軌跡直接結(jié)合的一種方法,。它從電動機(jī)角度出發(fā),,直接以電動機(jī)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(shí)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(shí)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(bǔ)償參考矢量的旋轉(zhuǎn)頻率,,設(shè)計(jì)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,??刂齐娐凡捎肨I公司的電機(jī)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(shí)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(jì)算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。


3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    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(jì)算模塊,、電機(jī)電流模型計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
    通過實(shí)驗(yàn)可對上述矢量控制算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,,實(shí)驗(yàn)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(jī)為4極三相籠型異步電機(jī),,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(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果和響應(yīng)曲線,。


 

    該實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)矢量控制系統(tǒng),,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制算法的正確性和有效性,,具有一定的實(shí)用價值。

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