艾 紅

(北京信息科技大學(xué)，北京 100192)

0 引 言

異步電機(jī)的物理模型是一個(gè)高階、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，需要用一組非線(xiàn)性方程組來(lái)描述。相比之下，直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型較為簡(jiǎn)單，從物理模型上看，直流電機(jī)分為空間相互垂直的勵(lì)磁繞組和電樞繞組，且兩者各自獨(dú)立，互不影響，通過(guò)控制兩種繞組中的電流就可以分別控制電機(jī)的氣隙磁通和電磁轉(zhuǎn)矩，獲得很好的控制效果。矢量控制的核心思想是模型變換，通過(guò)一系列坐標(biāo)變換，將原來(lái)非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合、多變量的異步電機(jī)模型等效得到直流電機(jī)模型，通過(guò)控制等效的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，用直流電機(jī)控制的方法對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。數(shù)字信號(hào)處理器DSP集中了電動(dòng)機(jī)控制所必須的可增加死區(qū)和靈活多變的多路PWM信號(hào)發(fā)生器，具有高速高精度ADC以及用于電機(jī)速度和位置反饋的編碼器接口等電路，能夠?qū)崿F(xiàn)矢量控制這樣復(fù)雜的控制算法對(duì)異步電機(jī)的控制[1-2]。

1 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)功能

異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為多個(gè)電路板設(shè)計(jì)，其中包括電源板、驅(qū)動(dòng)板和主控板?；赥MS320F2812 DSP設(shè)計(jì)主控板。選用DSP和IPM等高性能器件，設(shè)計(jì)包括功率驅(qū)動(dòng)電路和控制電路在內(nèi)的整個(gè)硬件系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)功能有電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示，獲取速度、轉(zhuǎn)速信息，通過(guò)A/D檢測(cè)電壓電流，完成控制算法的計(jì)算等關(guān)鍵問(wèn)題。主控板由控制器模塊、PWM模塊、人機(jī)界面模塊、信號(hào)處理模塊組成；驅(qū)動(dòng)板由整流模塊、逆變模塊、信號(hào)采集模塊組成；電源板為驅(qū)動(dòng)板和主控板提供電源。采樣電路包括電流采樣和電壓采樣。采用電流霍爾元件分別對(duì)電機(jī)電流和母線(xiàn)側(cè)電壓進(jìn)行采樣，TMS320F2812芯片片內(nèi)集成了可以和光電編碼盤(pán)接口的正交編碼器脈沖QEP電路。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了完成速度閉環(huán)，設(shè)計(jì)了具有隔離功能的光電編碼器接口電路。利用光電編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)速采樣。異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 異步電機(jī)變頻調(diào)速電源與驅(qū)動(dòng)板

2.1 電源板設(shè)計(jì)

考慮到設(shè)計(jì)中需要用到8路電源，選擇設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)關(guān)電源。設(shè)計(jì)電源為主控板提供+24 V，+15 V，-15 V和+5 V共4路電源，為驅(qū)動(dòng)板提供4路+15 V電源。電源電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2電源電路設(shè)計(jì)框圖

2.2 驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)思路是實(shí)現(xiàn)交直交變頻，輸出可控三相電驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)框圖

3 異步電機(jī)變頻調(diào)速主控板設(shè)計(jì)

3.1 電流檢測(cè)

電機(jī)采用Y型接法，需要測(cè)量?jī)陕冯娏骺梢愿鶕?jù)ia+ib+ic=0，得到另外一路電流。檢測(cè)電路包括電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)。其中電流檢測(cè)包括檢測(cè)直流母線(xiàn)電流、檢測(cè)逆變側(cè)輸出的電流；電壓檢測(cè)就只需要檢測(cè)整流側(cè)直流電壓。由于使用的傳感器輸出的都是電流，那么就需要將它轉(zhuǎn)換為電壓再輸入到A/D，經(jīng)過(guò)A/D采樣得到采集結(jié)果。對(duì)直流母線(xiàn)電壓、直流母線(xiàn)電流和兩路交流輸出采樣。圖4中TLV2254是低功耗運(yùn)算放大器，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)C1和C2的輸入經(jīng)過(guò)TLV2254放大，輸出端送至DSP的引腳ADCINA2和ADCINA3實(shí)現(xiàn)A/D采樣[3-4]。

圖4 A/D輸入信號(hào)放大電路

3.2 速度反饋模塊

測(cè)速原理是將旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)同軸相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)。增量式編碼器在碼盤(pán)上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，通過(guò)記錄編碼器在一定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，可以推算出這段時(shí)間的轉(zhuǎn)速。從編碼器采樣的信號(hào)A1,B1,C1經(jīng)過(guò)光耦芯片TLP113得到A2,B2,Z2，再經(jīng)過(guò)芯片SN74HC04提高帶負(fù)載能力，最終得到3路捕獲信號(hào)CAP1～CAP3交由DSP處理。

3.3 CPLD邏輯電路

為了整個(gè)設(shè)計(jì)電路的安全，需要設(shè)計(jì)相關(guān)邏輯保護(hù)電路，選用可編程邏輯器件CPLD進(jìn)行整個(gè)邏輯控制。CPLD中的程序邏輯如圖5所示。

圖5 CPLD模塊的邏輯圖

4 矢量控制過(guò)程分析

由IPM模塊輸出端檢測(cè)三相電流iA,iB，將三相到兩相進(jìn)行Clarke變換得到兩相靜止電流iα,iβ。由磁鏈觀(guān)測(cè)器計(jì)算出變換角度θ，結(jié)合變換角度θ，將兩相靜止電流進(jìn)行Park變換得到兩相旋轉(zhuǎn)電流id,iq，得到的電流值作為反饋值，反饋至電流PID輸入口，結(jié)合測(cè)速環(huán)節(jié)反饋回來(lái)的轉(zhuǎn)速信息得到兩相旋轉(zhuǎn)電壓Ud,Uq。經(jīng)由逆Park變換，計(jì)算得到兩相靜止電壓值Uα,Uβ，再由電壓空間矢量SVPWM計(jì)算，計(jì)算出PWM一定占空比的跳變時(shí)間，更新事件管理器中各個(gè)比較寄存器的數(shù)值，產(chǎn)生6路PWM波，接入到逆變環(huán)節(jié)，最終得到理想頻率的三相交流電作用于異步電機(jī)控制電機(jī)速度的變化。這些坐標(biāo)變換是矢量控制系統(tǒng)模型變換的核心。矢量控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 矢量控制系統(tǒng)框圖

5 矢量控制程序設(shè)計(jì)

5.1 矢量控制程序

矢量控制程序主要由ADC輸入模塊、Clarke變換模塊、Park變換模塊、逆Park變換模塊、磁鏈角度計(jì)算模塊、PID模塊、捕獲模塊、測(cè)速模塊、斜坡模塊以及空間矢量計(jì)算模塊等組成。在定時(shí)器下溢中斷中實(shí)現(xiàn)矢量控制算法,流程圖如圖7所示。

圖7 矢量控制算法流程圖

由給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算得到轉(zhuǎn)速PID輸出。結(jié)合兩相旋轉(zhuǎn)電流和反饋速度可以計(jì)算得到磁鏈角度，查表得到三角函數(shù)值，用于Park和逆Park變換中。由ADC通道輸入兩相電流值，計(jì)算得到第三相電流值再通過(guò)Clarke變換和Park變換得到兩相旋轉(zhuǎn)電流。結(jié)合速度PID輸出的轉(zhuǎn)矩電流和給定勵(lì)磁電流分別進(jìn)行電流PID控制，PID輸出結(jié)果為兩相旋轉(zhuǎn)電壓，通過(guò)逆Park變換得到兩相靜止電壓。之后進(jìn)入空間矢量計(jì)算環(huán)節(jié)。判斷矢量所在扇區(qū)，計(jì)算PWM波形跳變時(shí)間的中間變量X，Y，Z，最終得到跳變時(shí)間Ta,Tb,Tc，經(jīng)過(guò)處理賦值給比較寄存器，事件管理器中定時(shí)計(jì)數(shù)器通過(guò)與比較寄存器比較產(chǎn)生PWM波形[5-6]。

5.2 捕獲模塊

捕獲模塊對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)行捕獲，得到時(shí)間戳信號(hào)，用于計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。程序初始化時(shí)設(shè)置捕獲控制寄存器CAPCONA的值為1010 0000 0101 0000B ，使能捕獲單元1和2，并檢測(cè)上升沿。設(shè)置定時(shí)器2控制寄存器T2CON的值為1001 0111 0100 0000B ，表示設(shè)置定時(shí)器為連續(xù)遞增計(jì)數(shù)模式，使用內(nèi)部時(shí)鐘的128分頻作為時(shí)間基準(zhǔn)，使能定時(shí)器。定時(shí)器周期值設(shè)置為0x7FFF。設(shè)置GPIOA8,GPIOA9,GPIOA10引腳為外設(shè)功能，作為捕獲引腳使用。主要程序如下:

void F281X_EV1_CAP_Init(CAPTURE *p)

{

EvaRegs.CAPCONA.all = CAP_INIT_STATE; //初始化捕獲單元

EvaRegs.T2CON.all = TIMER_INIT_STATE; //初始化定時(shí)器單元

EvaRegs.T2PR = 0x7FFF; //設(shè)置定時(shí)器2周期值

EALLOW; //解除寄存器保護(hù)

GpioMuxRegs.GPAMUX.all |= 0x0700;

//設(shè)置GPIOA8～ GPIOA10引腳為外設(shè)功能

EDIS; //使能寄存器保護(hù)

}

捕獲模塊讀取程序中，判斷捕獲狀態(tài)寄存器的值，如果不為零，讀取信息并放入TimeStamp變量中，返回值為0，結(jié)束捕獲。

捕獲模塊讀取程序如下:

Uint16 F281X_EV1_CAP_Read(CAPTURE *p)

{

if((EvaRegs.CAPFIFOA.all&0x0100) != 0)

//檢查捕獲狀態(tài)寄存器的值

{

p->TimeStamp = EvaRegs.CAP1FIFO;

//獲取捕獲單元堆棧中的數(shù)值

return(0); //返回值為0，結(jié)束捕獲

}

else

{

return(1); //返回值為1

}

}

5.3 速度計(jì)算模塊

經(jīng)由捕獲模塊得到的時(shí)間戳信號(hào)，要經(jīng)過(guò)速度計(jì)算模塊，轉(zhuǎn)換得到轉(zhuǎn)速信號(hào)。速度計(jì)算模塊如圖8所示。

圖8 速度計(jì)算模塊示意圖

速度計(jì)算模塊程序流程圖如圖9所示。

速度計(jì)算模塊主要思路是當(dāng)輸入選擇等于0時(shí)，開(kāi)始改變時(shí)間戳，時(shí)間戳新老更替，NewTimeStamp是捕獲事件的新時(shí)間戳，OldTimeStamp是捕獲事件的舊時(shí)間戳。將當(dāng)前時(shí)間戳TimeStamp賦值給新時(shí)間戳，新時(shí)間戳-舊時(shí)間戳得到周期值。為了確保周期值為有效正值，做取正處理，當(dāng)EventPeriod <0時(shí)，EventPeriod = EventPeriod +32 767 。再由速度定標(biāo)除以周期值，得到速度值Speed=SpeedScaler/EventPeriod。轉(zhuǎn)速SpeedRpm的實(shí)際數(shù)值可以由速度轉(zhuǎn)換基值BaseRpm乘以速度值Speed得到即轉(zhuǎn)速SpeedRpm=BaseRpm×Speed 。將轉(zhuǎn)速SpeedRpm值除以電機(jī)額定轉(zhuǎn)速將會(huì)得到實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)中的速度反饋值。

圖9 速度計(jì)算模塊流程圖

6 空間矢量模塊與測(cè)試結(jié)果

6.1 IQmath方法與IQmath函數(shù)及其調(diào)用

IQmath方法是一種采用定點(diǎn)運(yùn)算但具有浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理特性的計(jì)算方法?？梢杂枚c(diǎn)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算。IQ格式數(shù)表示法是當(dāng)小數(shù)點(diǎn)位于第0位的右側(cè)時(shí)，定義為Q0。當(dāng)小數(shù)點(diǎn)位于第15位的右側(cè)時(shí)，定義為Q15。例如Q10格式的小數(shù)點(diǎn)定標(biāo)在111 111.111 111 111 1，它的最低位變化一個(gè)單位表示精度為1/210=0.000 976 6。

6.1.1 調(diào)用IQmath函數(shù)的方法

(1)IQmathLib.h加入到頭文件，定義全局Q值 GLOBAL_Q。

#ifndef GLOBAL_Q

#define GLOBAL_Q15

#endif

(2)在項(xiàng)目的庫(kù)文件匯總增加IQmath的庫(kù)文件IQmath.lib;

(3)在CMD文件中，將"IQmath"輸出段正確放置在程序存儲(chǔ)區(qū)中；

6.1.2 IQmath函數(shù)說(shuō)明

全局GLOBAL_Q函數(shù)的輸入和輸出都是GLOBAL_Q格式的，在GLOBAL_Q值確定后，是一個(gè)確切的值，例如：

_IQsin(A) //GLOBAL_Q格式是數(shù)A的sin函數(shù)值

_IQcos(A) //GLOBAL_Q格式是數(shù)A的cos函數(shù)值

_IQmpy(A,B) //GLOBAL_Q格式是A和B兩數(shù)相乘，得到GLOBAL_Q格式的積

對(duì)產(chǎn)生PWM波形的比較寄存器賦值，用下面3條語(yǔ)句將Ta,Tb,Tc分別放入比較寄存器調(diào)整參數(shù)中去。

pwm1.Mfunc_c1 = (int)_IQtoIQ15(svgen_dq1.Ta);

//將Q值為GOLBAL_Q的IQ格式數(shù)svgen_dq1.Ta轉(zhuǎn)化為Q值為15的IQ格式數(shù)賦值給pwm1.Mfunc_c1。

pwm1.Mfunc_c2 = (int)_IQtoIQ15(svgen_dq1.Tb);

pwm1.Mfunc_c3 = (int)_IQtoIQ15(svgen_dq1.Tc);

定義一系列初始函數(shù)變量如下:

int m_period;

long tmp;

tmp = (long)p->n_period×(long)p->Mfunc_p;

m_period = (int)(tmp>>16) + (int)(p->n_period>>1);

EvaRegs.T1PR = m_period;

n_period為周期，Mfunc_p是周期調(diào)整參數(shù)(Q15格式),Mfunc_c1為比較器調(diào)整參數(shù)(Q15格式)，m_period為新周期。周期值n_period 乘以周期調(diào)整參數(shù)Mfunc_p得到新周期。tmp = (long)p->n_period*(long)p->Mfunc_p; 即Q15 = Q0*Q15，但Mfunc_p的范圍是-1～1(Q15格式)。假設(shè)周期值1 000，則tmp的范圍是-1 000～1 000，為保證新周期為正整數(shù)，將tmp除以2，范圍變成-500～500，再加上半個(gè)周期值500，得到新周期的范圍為正整數(shù)0～1 000。m_period = (int)(tmp>>16) + (int)(p->n_period>>1); 這條語(yǔ)句功能是Q0 = (Q15->Q0)/2 + (Q0/2)，即tmp首先除于2，范圍變?yōu)?500～500，然后再偏移500(+ n_period >>1)，此時(shí)范圍是0～1000，實(shí)現(xiàn)了上述轉(zhuǎn)換。

比較寄存器調(diào)整參數(shù)Mfunc_c1,Mfunc_c2和Mfunc_c3的范圍是-1～1，在得到比較寄存器的新值時(shí)做取正整數(shù)處理。

語(yǔ)句EvaRegs.CMPR1 = (int16)(Tmp>>16) + (int16)(MPeriod>>1); 的含義是 Q0 = (Q15->Q0)/2 + (Q0/2)。將Tmp值除以2，實(shí)現(xiàn)占空比由(-1,1)到(-0.5,0,5)，然后右移15位也就是取整，將該數(shù)從Q15格式轉(zhuǎn)換成Q0格式，再加上0.5(對(duì)應(yīng)MPeriod>>1)的偏移，把占空比還原到(0,1)，此時(shí)的結(jié)果就是比較寄存器的值。

6.2 矢量控制測(cè)試結(jié)果

矢量控制系統(tǒng)需要逐步構(gòu)建，程序調(diào)試分為5個(gè)級(jí)別進(jìn)行，分別是1級(jí)～5級(jí)。由簡(jiǎn)到繁，逐漸完成整個(gè)矢量控制程序。1級(jí)調(diào)試主要是斜坡變換模塊，磁鏈近似模塊、逆Park變換模塊、空間矢量計(jì)算模塊。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行斜坡處理，進(jìn)行磁鏈近似計(jì)算，結(jié)合給定條件做逆Park變換，進(jìn)行空間矢量計(jì)算之后更新PWM，使能PWM輸出。2級(jí)調(diào)試是在1級(jí)的基礎(chǔ)上，加入ADC采樣模塊，采集兩相電流值，對(duì)采樣信號(hào)做Clarke變換和Park變換得到兩相旋轉(zhuǎn)電流，并不直接應(yīng)用，結(jié)合給定條件做逆Park變換，做同樣的PWM處理。最后還加入了速度計(jì)算模塊為下面的變化做準(zhǔn)備。1級(jí)和2級(jí)都是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。3級(jí)調(diào)試相對(duì)于2級(jí)又加入了電流PID模塊，對(duì)Park變換后得到的兩相旋轉(zhuǎn)電流分別做轉(zhuǎn)矩電流PID和勵(lì)磁電流PID控制計(jì)算，對(duì)2路PID輸出做逆Park變換，得到兩相靜止電壓信號(hào)，用電壓信號(hào)進(jìn)行空間矢量計(jì)算得到跳變時(shí)間，更新PWM并使能PWM。4級(jí)調(diào)試是在3級(jí)的基礎(chǔ)上，增加了磁鏈角度計(jì)算模塊，為替代磁鏈近似模塊做準(zhǔn)備。3級(jí)和4級(jí)都是電流閉環(huán)控制系統(tǒng)。5級(jí)調(diào)試主要包括ADC采樣模塊、Clarke變換模塊、Park變換模塊、速度PID模塊、轉(zhuǎn)矩電流PID模塊、勵(lì)磁電流PID模塊、逆Park變換模塊、空間矢量計(jì)算模塊、速度計(jì)算模塊、磁鏈計(jì)算模塊，最后使能PWM。從1級(jí)到4級(jí)調(diào)試是在不斷地添加模塊，5級(jí)調(diào)試是應(yīng)用速度PID模塊取代斜坡模塊，對(duì)給定速度與反饋速度之間進(jìn)行PID控制。用磁鏈計(jì)算模塊取代磁鏈近似模塊，得到更好的磁鏈角度計(jì)算精度。5級(jí)調(diào)試是速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)矢量控制算法的完整的矢量控制程序。

經(jīng)過(guò)DSP程序運(yùn)行截取的第1扇區(qū)PWM輸出波形記錄圖，如圖10所示。

圖10 第1扇區(qū)三相波形圖(截圖)

當(dāng)給定值為0.5時(shí)，電機(jī)速度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。圖11中電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，

圖11 給定值為0.5的速度測(cè)量曲線(xiàn)圖

速度給定值和反饋值都是轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值，電機(jī)轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1 405 r/min。

7 結(jié) 語(yǔ)

交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體化的綜合技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換如整流和逆變，又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此分成功率和控制2大部分。功率要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，控制要解決基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略的軟硬件開(kāi)發(fā)問(wèn)題。以DSP為核心設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的變頻器，可以檢測(cè)電機(jī)的參數(shù)，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的電壓和電流，對(duì)電機(jī)的狀態(tài)了如指掌。采用矢量控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電機(jī)的變頻調(diào)速功能[7]。

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