魏宇峰胡文斌

（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094）

無(wú)位置傳感器異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究

魏宇峰1胡文斌2

（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094）

異步電機(jī)因其制造簡(jiǎn)單、性能高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)在變頻調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，在國(guó)民生活中占據(jù)了越來(lái)越重要的地位。本文以交流異步電機(jī)為研究對(duì)象，采用IRMCF341電機(jī)主控芯片，分析直流母線(xiàn)單電阻電流采樣重構(gòu)技術(shù)，利用反電動(dòng)勢(shì)法估算電機(jī)轉(zhuǎn)子速度和位置，完成異步電機(jī)無(wú)位置傳感器矢量控制算法。最后對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行整體實(shí)驗(yàn)調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)位置傳感器矢量控制算法是正確可行的。

單電阻電流采樣；異步電機(jī)；矢量控制

異步電機(jī)相對(duì)于永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)速高，成本低且易于維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，因此對(duì)異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)提出了更高的性能要求。

三相異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)［1］。1971年，德國(guó)西門(mén)子公司的的F. Blaschke與美國(guó)的P. C. Custma等提出了基于磁場(chǎng)定向的新型交流電機(jī)控制方式，這是最早出現(xiàn)的矢量控制理論雛形。矢量控制算法的核心思想是通過(guò)對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦將電機(jī)模型等效。

矢量控制算法的核心思想是磁場(chǎng)定向控制，通過(guò)坐標(biāo)變換將定子電流矢量變換至兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，以運(yùn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子為參照物，則定子的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩電流矢量可等效為一個(gè)直流量，相對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止。因此，就可用一臺(tái)直流電機(jī)來(lái)等效異步電機(jī)，根據(jù)磁鏈定向原理分別對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，以達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的［2］，使得交流電機(jī)擁有與直流電機(jī)一樣優(yōu)越的控制性能。能否準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)的相電流將直接影響電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的性能。目前高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正逐步擺脫軟件的束縛向純硬件方向發(fā)展，即基于 FPGA或 ASIC實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。在這種大環(huán)境下，專(zhuān)為控制永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)設(shè)計(jì)的高性能集成芯片IRMCF341應(yīng)運(yùn)而生。本文基于國(guó)際整流器公司（International Rectifier，IR）推出的IRMCF341電機(jī)控制芯片設(shè)計(jì)無(wú)位置傳感器控制算法，并搭建軟硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

1　異步電機(jī)矢量控制算法設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器矢量控制算法，首先基于單電阻采樣重構(gòu)計(jì)算出電機(jī)定子電流，進(jìn)一步計(jì)算出電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，對(duì)反電動(dòng)勢(shì)積分獲得轉(zhuǎn)子磁鏈［3］，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子角度，產(chǎn)生帶有死區(qū)的 PWM控制信號(hào)。

1.1單電阻電流采樣及相電流重構(gòu)原理分析

單電阻電流重構(gòu)技術(shù)的算法核心是，直流母線(xiàn)電流與電機(jī)相電流的關(guān)系由三相逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定，由此可知，若逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)已知，就可以構(gòu)造出網(wǎng)側(cè)某相電流。IRMCF341芯片利用單電阻采樣從直流母線(xiàn)上獲得電流信號(hào)，電流信號(hào)結(jié)合逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)就可以重構(gòu)出網(wǎng)側(cè)某相電流［4］。以開(kāi)關(guān)矢量（100）作用為例，直流側(cè)電流的流通路徑如圖1所示，此時(shí)直流母線(xiàn)電流idc等于電動(dòng)機(jī)a相電流ia。

圖1　逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)為（100）的電流通路

采樣電阻一次電流采樣只能重構(gòu)出一相電流，只需在一個(gè)PWM周期內(nèi)當(dāng)2個(gè)基本電壓矢量分別作用時(shí)分時(shí)重構(gòu)出兩相電流，然后通過(guò) ia+ib+ic=0就可計(jì)算出第三相電流。以電壓矢量Uout位于I扇區(qū)為例，U4（100）、U6（110）和零矢量在一個(gè)分成7段的采樣周期內(nèi)分時(shí)作用。為避免開(kāi)關(guān)瞬時(shí)變化引起的電流毛刺，通常在矢量作用的中點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行電流采樣，即在圖2中對(duì)應(yīng)的ts1和ts2處對(duì)idc進(jìn)行采樣，定義采樣得到的電流為idc1、idc2，則有：ia=idc1，ic=-idc2，ib=-（ia+ic）。

圖2　電壓作用矢量與母線(xiàn)電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系

同理，表1列出了在其他扇區(qū)內(nèi)三相電流與兩個(gè)采樣值idc1、idc2的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1　直流母線(xiàn)電流和電機(jī)相電流對(duì)應(yīng)關(guān)系

實(shí)際情況下要實(shí)現(xiàn)單電阻采樣電流重構(gòu)有一個(gè)基本的前提條件，即在非零空間電壓矢量作用時(shí)，要保證直流母線(xiàn)電流采樣有足夠的采樣窗口。因此，要完成相電流重構(gòu)，非零矢量的作用時(shí)間至少要大于電流采樣一次所需的最短時(shí)間。

1.2轉(zhuǎn)子位置與速度估計(jì)

本文采用反電動(dòng)勢(shì)法估算轉(zhuǎn)子位置，包括磁鏈觀(guān)測(cè)和角度-頻率生成。通過(guò)磁鏈觀(guān)測(cè)器計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的勵(lì)磁分量。

由坐標(biāo)變換的相關(guān)內(nèi)容可知，三相靜止坐標(biāo)系下的電流iA、iB、iC和兩相靜止坐標(biāo)系下的電流iα、iβ間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（1）所示，即

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到αβ坐標(biāo)下的等效電路方程，如式（2）所示，即

磁鏈計(jì)算公式如式（3）所示，即

式中，ψα、ψβ為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子坐標(biāo)系αβ上的投影，uα、uβ為定子坐標(biāo)系αβ上的定子電壓，iα、iβ為采樣電阻采集到的三相定子電流在坐標(biāo)系αβ上的轉(zhuǎn)換電流，Rs為定子電阻，L為定子電感［5］。

設(shè)基于實(shí)際轉(zhuǎn)子位置的坐標(biāo)系為dq坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)子估計(jì)位置所在軸線(xiàn)為δγ 坐標(biāo)系，此外定義一個(gè)靜止的αβ坐標(biāo)系，它們的矢量關(guān)系如圖3所示。

由圖3可推出下式的關(guān)系：

圖3　轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶繄D

式中，K=ψf1，Δθ =θr-θe。定義電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)子角度θr和估計(jì)的轉(zhuǎn)子角度θe的差為Δθ，如果Δθ 是已知的，那么利用鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)就可精確求得到轉(zhuǎn)子速度ωe和角位置θe信息。

根據(jù)矢量控制的基本原理及SVPWM技術(shù)，可建立如圖4所示所示的異步電機(jī)矢量控制結(jié)構(gòu)圖。

2　IRMCF341芯片功能簡(jiǎn)介

IRMCF341采用QFP64封裝，是一款集成了電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制引擎和 8051為處理器的高性能的控制芯片，圖5為IRMCF341的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制引擎MCE包含電機(jī)外設(shè)、運(yùn)動(dòng)控制時(shí)序發(fā)生器、用于數(shù)據(jù)交換的雙端口 RAM等硬件電路控制電機(jī)的所有控制資源。MCE是軟硬件混合體，矢量控制中電流環(huán)基于純硬件電路實(shí)現(xiàn)，設(shè)置對(duì)應(yīng)寄存器控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)電流環(huán)調(diào)節(jié)；速度環(huán)控制基于軟件方式，通過(guò)修改MCE代碼實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)速度環(huán)的結(jié)構(gòu)及弱磁控制。該系統(tǒng)利用直流母線(xiàn)單電阻采樣電流，基于專(zhuān)用數(shù)模混合電路實(shí)現(xiàn)單電阻采樣電流重構(gòu)，采用反電勢(shì)積分法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置與速度估計(jì)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)矢量控制。

除MCE外，IRMCF341集成了8051高速8位微處理器，可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)接口、上位機(jī)通信等上層控制，其指令系統(tǒng)、基本操作與標(biāo)準(zhǔn)Intel 8051處理器并無(wú)不同。8051通過(guò)512字節(jié)雙端RAM向MCE的寄存器組讀取、發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制、主機(jī)通信、上層控制任務(wù)及用戶(hù)接口等功能，除此之外，另提供一個(gè)JTAG端口來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真和調(diào)試。

圖4　異步電機(jī)矢量控制結(jié)構(gòu)圖

圖5　IRMCF341內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

IRMCF341芯片采用雙核集成，不僅顯著提升電機(jī)控制性能，而且大大簡(jiǎn)化了硬件電路，提高電路可靠性，在控制高速、復(fù)雜的電機(jī)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著［6］。

3　電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)

3.1硬件電路設(shè)計(jì)

本文矢量控制系統(tǒng)包括整流電路、開(kāi)關(guān)電源電路、功率驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路、采樣電路等，以IRMCF341為核心的硬件電路設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖6　控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案

該控制系統(tǒng)中，電機(jī)相電流信息的準(zhǔn)確性直接影響轉(zhuǎn)子角度估算結(jié)果，對(duì)電機(jī)的控制性能至關(guān)重要。MCE利用 A/D模塊檢測(cè)采樣電阻上的電流信息，經(jīng)過(guò) RC轉(zhuǎn)換電路，采樣電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送至MCE的A/D口。IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用驅(qū)動(dòng)芯片IR21366及其外圍電路組成，IR21366是6路集成橋式驅(qū)動(dòng)芯片，其輸出電壓范圍為 10～20V，最大輸出電流可為4A。系統(tǒng)利用IR21366接收PWM脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET管，逆變模塊輸出三相電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3.2系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是基于硬件模塊實(shí)現(xiàn)，MCE模塊庫(kù)提供了全面的功能模塊，可根據(jù)需要自由組合來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制方案。

要搭建無(wú)位置傳感器異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，第一步基于Matlab/Simulink環(huán)境下組合功能模塊實(shí)現(xiàn)矢量控制算法，生成*.mdl文件；第二步利用MCE編譯器在線(xiàn)編譯，得到MCE處理器的可執(zhí)行文件，該可執(zhí)行文件由結(jié)構(gòu)配置文件、C源代碼頭文件、寄存器列表及地址文件構(gòu)成，最后將可執(zhí)行文件下載到控制芯片中。

軟件算法完成后需要進(jìn)行實(shí)際調(diào)試，借助機(jī)調(diào)試工具軟件MCE Wizard和MCE Designer調(diào)試電機(jī)，進(jìn)一步優(yōu)化功能寄存器組、電流取樣寄存器組的配置電機(jī)參數(shù)。一旦滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)際需要，就可確認(rèn)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，8051代碼所要完成的工作就是用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)MCE De signer環(huán)境下的電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)調(diào)試以及其他功能，使電機(jī)控制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。電機(jī)系統(tǒng)調(diào)試流程如圖7所示。

圖7　電機(jī)系統(tǒng)調(diào)試流程圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)選用額定功率500W的無(wú)刷異步電機(jī)，利用MCE Designer的波形跟蹤功能（Trace Setup）采樣電機(jī)運(yùn)行波形。

電機(jī)控制系統(tǒng)硬件調(diào)試平臺(tái)如圖8所示，單電阻電流采樣重構(gòu)波形如圖9所示（V、W相），實(shí)驗(yàn)波形近似標(biāo)準(zhǔn)正弦波行，顯示電流重構(gòu)模塊的優(yōu)越性能，保證了后續(xù)轉(zhuǎn)子位置與速度估計(jì)的精確。圖10為速度設(shè)定和反饋曲線(xiàn)，顯示電機(jī)雖然運(yùn)行平穩(wěn)但無(wú)法達(dá)到額定的電機(jī)速度，所示的問(wèn)題是電機(jī)無(wú)法在指定的時(shí)間里達(dá)到指定的速度，分析力矩參考曲線(xiàn)判斷出問(wèn)題的根源出在速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器上。增加速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分增益后得到的速度參考和速度反饋、速度環(huán)PI輸入輸出波形如圖11、圖12所示?？梢钥闯觯俣瓤梢赃_(dá)到設(shè)定值，此時(shí)PI調(diào)節(jié)器的輸出很小，輸出的力矩基本為恒定值。

圖8　電機(jī)控制系統(tǒng)硬件調(diào)試平臺(tái)

圖9　采樣電流后重構(gòu)的V相、W相電流波形

圖10　速度設(shè)定和反饋曲線(xiàn)

圖11　調(diào)節(jié)PI積分增以后的速度設(shè)定和速度反饋

圖12　速度環(huán)PI輸入輸出波形

5　結(jié)論

本文分析了單電阻電流采樣及相電流重構(gòu)的方法，采用了IR公司的雙核芯片IRMCF341作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)無(wú)位置傳感器矢量控制。此方法淘汰了傳統(tǒng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所必須的復(fù)雜的電機(jī)轉(zhuǎn)向控制箱，簡(jiǎn)化了電機(jī)控制過(guò)程，大大節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本，具有較高的使用價(jià)值。

［1］ 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2003.

［2］ 陳小波， 胡育文， 黃文新， 等. 基于單電阻電流采樣的矢量控制算法研究［J］. 電氣傳動(dòng)， 2011， 41（5）：15-19.

［3］ 孫兵成， 藍(lán)維隆， 郭海亞. 簡(jiǎn)述無(wú)位置傳感器PMSM 的新型控制方案設(shè)計(jì)［J］. 伺服控制， 2008，23（7）： 27-30.

［4］ Kim H， Jahns T M. Phase current Reconstruction for AC motor drivers using a DC Link single current sensor and measurement voltage vector［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2006， 21（5）： 1413-1419.

［5］ 于落星， 張浩然. 基于 IRMCF341的無(wú)位置傳感器電動(dòng)汽車(chē)控制器設(shè)計(jì)［J］. 電子器件， 2010， 33（6）：794-797.

［6］ 鄒馳， 李志俊. 一款高性能的電機(jī)控制芯片——IRMCF341［J］. 中國(guó)集成電路， 2005， 4（4）： 61-64.

Research on Position Sensorless Asynchronous Motor Vector Control System

Wei Yufeng1Hu Wenbin2
（Automation College of Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094）

Asynchronous motor is widely used in the field of frequency control of motor speed，because of its simple manufacture， high performance， small moment of inertia， high reliability advantages， and occupies a more and more important position in the national life. Based on the main motor control chip IRMCF341， a technique that makes the current sampling and reconstruction of the DC bus realized was analyzed in this paper. The sensorless control algorithm of asynchronous motor was completed， using the method of back electromotive force to estimate the motor rotor speed and position. Finally the debugging experimental of the whole control system was done， and the experimental results verify the correctness and feasibility of the sensorless vector control algorithm.

single shunt current sampling； Asynchronous motor； vector control

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BE2013125）

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2013004-01）

魏宇峰（1987-），男，江蘇省徐州市人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楫惒诫姍C(jī)及其控制技術(shù)。