楊根蓮，李信德，寧平華

（1.馬鞍山職業(yè)技術學院，馬鞍山243031；2.湖南工程學院，湘潭411104）

0 引 言

交流感應電機因為結構牢固，運行穩(wěn)定可靠，成本低廉和高效率而被廣泛使用，但是交流電機的電磁關系具有多變量、非線性和強耦合特性，用傳統(tǒng)的方法很難對其進行精確控制，因而限制了它在精確定位、轉矩控制、速度控制等場合中的應用［1］.近年來，隨著交流電機控制理論研究的不斷深入，新的交流電機控制算法也層出不窮，為交流感應電機應用范圍的擴大提供了可能.間接磁場定向控制就是其中之一，它采用轉子磁場定向的方法，實現定子電流的勵磁分量與轉矩分量的動態(tài)解耦，采用PI連續(xù)調節(jié)方式，實現轉矩與轉子磁場的控制.為實現這些功能需要進行大量的數據運算及實時控制，對微處理器運算能力和速度要求很高.用傳統(tǒng)的單片機來控制很難滿足要求.本系統(tǒng)選用ST公司STM32F103RC控制器，它是一款基于ARM Cortex－M3內核且擁有豐富外圍資源的高性價比32位微控制器.它最高72MHz的時鐘頻率以及片內三相PWM波發(fā)生器、正交編碼器接口、ADC以及CAN、USB等多種通信接口使IFOC算法能夠高效便捷的實現.

1 IFOC算法

1.1 算法簡介

IFOC算法的核心思想就是通過坐標變換將定子電流分解為產生磁場的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量，使感應電動機的控制能像直流電動機控制一樣簡單.因為轉子磁通矢量要通過定子電流和其它參數計算獲得，因此稱為間接磁場定向控制［2］.

1.2 算法的主要內容

為了求得轉矩電流分量iq及磁場電流分量id與電機相電流ia，ib，ic的關系，需要進行Clarke變換和Park變換，Clarke變換是將三相同步旋轉坐標系變換到兩相靜止坐標系（也稱3／2變換），Park變換則是將兩相靜止坐標系變換到兩相同步旋轉坐標系（也稱矢量旋轉變換）.

當電機定子繞組采用星形接法時，Clarke變換關系為：

上述方程中因為定子采用三相星形接法，所以ia＋ib＋ic＝0.α，β坐標系相對于定子是靜止的，且坐標系的α軸與等效的三相系統(tǒng)的a相夾角θ為零.

Park變換將靜止的α，β坐標系變換為旋轉的d，q坐標系，其關系式為：

式中，λ是α軸與d軸之間的夾角，λ＝ω1t＋λ0，λ0是初始位置角.但是要實現IFOC控制還有一個條件必須滿足，α軸的方向必須與轉子的磁場方向相同.以上兩種變換中各坐標系的關系如圖1所示.

圖1 Clarke和Park變換中各坐標系的關系

將異步電機的電壓方程和磁通方程變換到d，q坐標系中，表示如下：

由于我們在Park變換時使d軸與轉子磁通保持一致，所以Ψqr＝0，Ψdr＝Ψr.因此可得到電機的電磁轉矩和轉子磁通分別為［3］：

其中P為定子的極數，τ為轉子時間常數.

由式（5）和（6）可知轉子的磁化分量和電磁轉矩分量已經解耦，轉子內的磁通大小只取決于定子電流在d軸上的分量，而在保持轉子磁通不變的前提下電機的電磁轉矩只取決于定子電流在q軸上的分量.

1.2 算法實現的主要步驟

·測量電機的數值（相電壓和電流）.

·用Clarke轉換將它們轉換成2相系統(tǒng) （α，β）.

·計算轉子磁通空間矢量的大小和角度位置.

·用Park轉換將定子電流轉換成d，q坐標系統(tǒng).

·定子電流的轉矩（iqs）和磁通（ids）分量由控制器分別進行控制.

·用去耦模塊計算定子電壓空間矢量的輸出值.

·通過Park反向轉換將定子電壓空間矢量從d，q坐標系統(tǒng)轉換回相對于定子靜止的2相系統(tǒng).

·通Clarke反變換轉換將輸出正弦調制生成3相輸出電壓.

2 系統(tǒng)硬件設計

根據以上對算法的分析和用戶對該類產品的典型需求，硬件總體設計如圖2所示.STM32F103RC是系統(tǒng)的控制核心，它根據用戶本地鍵盤輸入或RS232通信所下達的命令，對交流電機進行閉環(huán)控制.控制環(huán)中前向通道是通過SVPWM驅動模塊將算法的結果轉變成三相上、下橋臂IGBT驅動信號對IPM模塊進行驅動以控制交流電機運轉狀態(tài)；后向通道包括兩路反饋信號，一路采集定子的電流，另一路獲取轉子的位置和速度.除此以外還包括電源變換及電壓監(jiān)測模塊和電機實時數據顯示的液晶模塊.

圖2 系統(tǒng)硬件總體設計框圖

2.1 STM32F103控制模塊

STM32F103RC是整個測控系統(tǒng)的控制核心，它是ST公司推出的基于ARM Cortex－M3架構的32位嵌入式微控制器.它最高工作頻率可達72 MHz，具有單周期乘法和硬件除法功能，片內擁有256K字節(jié)的Flash ROM和64K的SRAM，且設有3路16通道的12位ADC和2路12位DAC和11個16位定時器（其中兩個高級定時器可設置成帶死區(qū)時間控制和急停輸入的三相PWM發(fā)生器），還包括IIC、USART、CAN、USB2.0在內的多種通信接口以及JTAG程序燒寫和在線調試接口等外設資源［4］.以上資源為整個算法實現和系統(tǒng)的實時控制提供較好的解決方案.

2.2 電源與液晶顯示模塊

系統(tǒng)控制電源采用24V開關電源供電，系統(tǒng)所用芯片供電等級為以下幾種：一種為15V，給IPM模塊TSM1818供電；另一種為5V，包括液晶顯示模塊和編碼器差分信號接收芯片26LS32等；第三種為3.3V，包括主控芯片STM32F103RC及電源監(jiān)測芯片MAX708，因此需要采用兩級降壓穩(wěn)壓電路.前兩級將24V變?yōu)?5V和5V，考慮到壓差較大，若用線性穩(wěn)壓芯片如78L05則發(fā)熱過大，所以選用開關型穩(wěn)壓芯片LM2567－5.0，保證系統(tǒng)控制部分供電穩(wěn)定、高效；第二級將5V變?yōu)?.3V，選LM1117－3.3即可，圖3（a）、（b）分別為5V和3.3 V穩(wěn)壓電路.顯示采用320＊240點陣顯示模塊JRD320240D，以RA8802為驅動芯片.

圖3 電源穩(wěn)壓

2.3 JTAG、鍵盤與RS232接口

因為按鍵較少，所以每一個按鍵單獨連接一個IO腳進行檢測.RS232通信接口用ST3232作電平轉換，如圖4所示.

圖4 RS232通信接口

2.4 編碼器反饋和定子電流采樣調理模塊

PWM調速過程中，必然伴隨著電壓、電流的突變.因此在系統(tǒng)設計時，一方面要設法減少這些突變產生EMI；另一方面要設法提高易感元件的抗干擾能力.編碼器產生的5V反饋信號從電機的軸端要經過較長線路的傳輸后才能送入控制器進行處理，很容易受到干擾.為提高該類信號的抗干擾能力，A、B、Z信號均采用差分信號傳輸，在進入控制器前再用26LS32將差分信號轉變成單極信號，如圖5所示.定子電流檢測電路通過電阻取樣，將電流信號轉變成電壓信號，再經過運放調理成0～3.3V信號送入控制器ADC進行轉換，如圖6所示.

2.5 SVPWM驅動模塊和IPM模塊

為提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用三菱公司的TSM1818智能功率模塊，該智能模塊集整流、逆變及剎車功能于一體.系統(tǒng)只需將三相電源和控制器產生的經過高速光藕6N139隔離后的三相SVPWM信號送入IPM模塊即可實現對電機的控制.

3 系統(tǒng)軟件設計

ST公司提供了標準函數庫和電機控制函數庫2.0，在庫中對IFOC算法需要進行的基本事件定義了相應的函數，因此軟件設計的任務相對較輕［5］.圖7為軟件的總體架構，需要進行的工作為以下幾方面：①根據系統(tǒng)的硬件配置對庫中的函數參數進行定制；②設計點陣液晶驅動程序、按鍵檢測程序；③RS232通信接口配置及事件響應程序；④在庫函數基礎上設計本系統(tǒng)的任務調度和用戶接口程序，圖8為系統(tǒng)任務調度和用戶接口main函數流程.

4 結束語

本文對當前較為流行的IFOC算法進行了較為深入的探討，并對以STM32F103RC作為控制器的三相異步電機測控系統(tǒng)的硬件設計與軟件設計方法做了詳細的介紹.通過樣機的測試結果表明，該設計方案能較好的完成對三相交流感應電機的調速控制與運行狀態(tài)監(jiān)測.但研究過程中發(fā)現IFOC算法實現過程中的關鍵參數轉子磁通的間接測量很容易受溫度等外界因素的影響而導致誤差，因此必須采取措施進行補償，這也是本系統(tǒng)后續(xù)的研究重點和改進方向.

［1］ 高景德，等.交流電機及其系統(tǒng)的分析（第二版）［M］.北京：清華大學出版社，2005：305－402.

［2］ 陳 堅.交流電機數控模型及調速系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1989：40－114.

［3］ T.A.Lipo and D.W.Novotny.Vector Control and Dynamics of AC Drives［M］.Oxford University Press，1996.

［4］ ST.STM32F103xC，STM32F103xD，STM32F103xE［EB／OL］.www.st.com，2009.

［5］ ST.UM0483User Manual［EB／OL］.www.st.com，2008.