李 拓，杜慶楠

（河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

世界上第一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)自1885年問世以來(lái)，在長(zhǎng)達(dá)80多年的時(shí)間里，但凡是要求調(diào)速范圍廣、速度控制精度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好的場(chǎng)合，幾乎都采用直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，而交流電動(dòng)機(jī)僅僅被應(yīng)用在一些不需要調(diào)速的拖動(dòng)場(chǎng)合。主要原因是因?yàn)榻涣麟妱?dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、高階、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，其在調(diào)速性能、調(diào)速范圍、起制動(dòng)特性、過載能力方面無(wú)法與直流電動(dòng)機(jī)相比擬。直到20世紀(jì) 70年代，隨著電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，以及變頻技術(shù)、矢量控制等技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用[1]，使得交流調(diào)速性能有了突破性進(jìn)展。而直流電動(dòng)機(jī)自身在換向問題上的固有缺點(diǎn)又無(wú)法很好的得以解決，因此對(duì)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)的研究變得尤為重要，本文所研究的是一個(gè)完整的基于TMS320F28335的三相感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)[2]，運(yùn)用電流模型進(jìn)行磁鏈觀測(cè)，最終使電機(jī)的運(yùn)行得到了高效的控制。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)以TMS320F28335DSP為核心，整個(gè)系統(tǒng)框架包括采樣模塊、ADC模塊、CLARK變換模塊、PARK變換模塊、PID模塊、I-PARK變換模塊、SVPWM 模塊、CUR-MOD模塊以及光電編碼器。TMS320C2000系列 DSP集微控制器和高性能DSP的特點(diǎn)于一身，具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法，片上整合了Flash存儲(chǔ)器、快速的A/D轉(zhuǎn)換器、增強(qiáng)的CAN模塊、事件管理器、正交編碼電路接口及多通道緩沖串口等外設(shè)，此種整合使用用戶能夠以很便宜的價(jià)格開發(fā)高性能數(shù)字控制系統(tǒng)。F283X系列的DSP更是在原來(lái)F28系列定點(diǎn)DSP的基礎(chǔ)上增加了浮點(diǎn)運(yùn)算內(nèi)核[4]，保持原有DSP芯片優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，能夠更高效地執(zhí)行復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，在處理速度、處理精度方面要求較高的領(lǐng)域，比原F28系列DSP有著更高的性價(jià)比。功率部件采用三菱公司的 IPM 模塊PM15RSH120，整體結(jié)構(gòu)采用類似變頻器結(jié)構(gòu)，所有功率電路和檢測(cè)部件封裝在機(jī)殼內(nèi)部[5]，使系統(tǒng)的安全性和可靠性更高[6]。監(jiān)控部分也安裝在機(jī)殼內(nèi)部，可以控制電源通斷。人機(jī)接口采用液晶顯示屏和薄膜開關(guān)按鍵，操作界面更友好，觀察信息更方便，和磁粉制動(dòng)器以及其他輔助控制功能由一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行控制，不占用DSP的處理時(shí)間[7]，液晶采用320X240的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，能顯示電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)曲線。主電源采用單相交流 220V不控整流電源。整體功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 矢量控制的工作原理

由電機(jī)學(xué)可知，任何電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的原理，在本質(zhì)上都是電動(dòng)機(jī)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果[8]，因此各種電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩具有統(tǒng)一的表達(dá)式，即：

式中， np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)； Fs、 Fr為定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)矢量的模值；Φm為氣隙主磁通矢量的模值；θs、θr為定子磁勢(shì)空間矢量FS、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量 Fr分別與氣隙合成磁勢(shì)空間矢量 Fh之間的夾角[9]（見圖二所示），通常用電角度表示為θs=npθms，θr=npθmr，其中θms、θmr為機(jī)械角；Fh為氣隙合成磁勢(shì)空間矢量，當(dāng)忽略鐵損時(shí)與磁通矢量Φm同軸同向。

由公式（1）及圖2 所示的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)磁動(dòng)勢(shì)、磁通空間矢量圖可以看出，通過控制定子磁動(dòng)勢(shì) FS的模值或控制轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì) Fr的模值及它們?cè)诳臻g的位置，就能達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。要想控制 FS或 Fr模值的大小，可以通過控制各相電流的幅值大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，而在空間上的位置角θs、θr，可以通過控制各相電流的瞬時(shí)相位來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，只要能實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子各相電流（iA、iB、iC）的瞬時(shí)控制，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的有效控制。我們可以通過某種等效變換將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)的控制統(tǒng)一起來(lái)，從而對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制就可以按照直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是矢量控制的工作原理。

圖1 整體功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall functional block diagram

圖2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)、磁通空間矢量圖Fig.2 Induction motor magnetic to motive force, magnetic flux vector space

圖3 矢量控制過程框圖Fig.3 Vector control process diagram

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下模塊功能：采樣模塊、ADC模塊、CLARK變換模塊、PARK變換模塊、PID模塊、I-PARK變換模塊[10]、SVPWM 模塊、CUR-MOD模塊以及光電編碼器。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖4所示。

①、主電源

主電源位于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，為+300V單相不控整流電源[11]，帶有熔斷器。主電源單元是為逆變器提供直流功率電源。

②、鍵盤控制及顯示

此設(shè)備為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作和監(jiān)控部件[12]，由一個(gè)單片機(jī)控制板實(shí)現(xiàn)。包含1個(gè)320*240的LCD點(diǎn)陣顯示屏和10個(gè)按鍵的鍵盤；通過此人機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載設(shè)定及顯示、速度數(shù)字或曲線顯示、主電源的選擇及開關(guān)控制[13]，通過SPI接口與DSPCPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

③、功率器件

功率單元采用內(nèi)部帶有驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能的 IPM模塊。選用產(chǎn)品型號(hào)為 PM15RSH120，容量為 15安1200伏。

④、驅(qū)動(dòng)電源

驅(qū)動(dòng)電源采用 4路高隔離耐壓的+15V隔離DC-DC模塊，分別為功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路供電。

⑤、脈沖隔離單元

為確保控制電路安全，本系統(tǒng)采用光電耦合器[14]，將控制電路與主電路光電隔離。

⑥、脈沖電壓保護(hù)單元

為了降低 IGBT管關(guān)閉瞬間造成的高脈沖電壓對(duì)電路的影響，在功率模塊的輸入端使用了高壓脈沖吸收電路。

⑦、檢測(cè)單元

檢測(cè)單元提供了兩路光電隔離電流檢測(cè)，隔離檢測(cè)逆變器輸出的 A、B兩相電流。并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)調(diào)理成峰-峰值在 0～3.3伏之間的信號(hào)，送給DSP的ADC輸入端。

⑧、接口單元

前面板為本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器功率部分到DSPCPU組合板提供電路接口和電平匹配，包括 J1、J2、J3、J7、J8以及J9六個(gè)接口單元；后面板為電動(dòng)機(jī)接口J4、磁粉制動(dòng)器接口J5、異步電機(jī)風(fēng)扇接口J6、三芯電源插座和開關(guān)。接口定義見表1，表2所示。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Hardw are block diagram

表1 接口定義Tab.1 I nterface definition

表2 接口定義Tab.2 I nterface definition

本系統(tǒng)所用的仿真器為USB接口的TDS510型。

⑩、中小功率機(jī)組介紹

本系統(tǒng)機(jī)組包括三相感應(yīng)電機(jī)、1000線增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器，機(jī)組通過彈性聯(lián)軸器使各部件組合，構(gòu)成該系統(tǒng)需要的電機(jī)組，選配非常靈活方便。數(shù)控負(fù)載由一個(gè)磁粉制動(dòng)器和一個(gè)配套的恒流源控制器組成，制動(dòng)器連接到機(jī)組中，通過電纜與恒流源控制器相連。恒流源控制器集成在驅(qū)動(dòng)器中[15]，輸出值大小通過鍵盤設(shè)置。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖5所示。

子程序列表如表3所示。

部分程序如圖6所示。

3.3 算法設(shè)計(jì)

矢量控制式如公式（2）所示：

式中 Tei為電磁轉(zhuǎn)矩、 CIM=npLmd/Lrd為轉(zhuǎn)矩系數(shù)、Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈、iST為轉(zhuǎn)矩電流、Lmd為互為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)、p為極對(duì)數(shù)、為勵(lì)磁電流、 Lrd為轉(zhuǎn)子電感、 Ws1為轉(zhuǎn)差角頻率。該式表明在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，如果按照異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向，且保持勵(lì)磁電流不變那么轉(zhuǎn)子磁鏈就不變，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩僅僅與轉(zhuǎn)矩電流相關(guān)。此時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩模型就與直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩模型完全一樣了。

圖5 程序流程圖Fig.5 Pr ogram flow chart

表3 子程序列表Tab.3 Subr outine list

圖6 部分程序Fig.6 Part of the program

CLARK變換公式如式（3）所示：

式中αsi為兩相靜止坐標(biāo)系中α軸的電流、βsi為兩相靜止坐標(biāo)系中β軸的電流、Ai為采樣的A相電流、Bi為采樣的B相電流。通過此式可將采樣的三相靜止坐標(biāo)系的電流轉(zhuǎn)換成兩相靜止坐標(biāo)系的電流。

PARK變換公式如式（4）所示：

式中αri、βri為兩相靜止坐標(biāo)系，rdi、rqi為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，rθ為磁通角度。通過此式便可以將兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。

I-PARK變換公式如式（5）所示：

式中αri、βri為兩相靜止坐標(biāo)系，rdi、rqi為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，rθ為磁通角度。通過此式便可以將兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成兩相靜止坐標(biāo)系。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)過不斷的對(duì)影響矢量控制系統(tǒng)控制性能參數(shù)的修改，來(lái)驗(yàn)證感應(yīng)電機(jī)動(dòng)態(tài)過程中個(gè)因素對(duì)其控制性能的影響。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

圖7 兩相采樣電流iA、iBFig.7 T wo-phase sampling current iA、iB

圖8 解耦后的轉(zhuǎn)矩電流與勵(lì)磁電流iq、idFig.8 Decoupled torque current and excitation current

圖9 給定磁鏈與測(cè)量磁鏈之間的對(duì)比Fig.9 Shows the comparison between flux and flux measurement

圖10 顯示器上的速度曲線Fig.10 Shows the speed curve on the display

經(jīng)分析，該系統(tǒng)通過一系列的矢量變換將采樣的三相靜止坐標(biāo)系下的電流變換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流，較好的實(shí)現(xiàn)了定子電流的完全解耦。并通過電流模型法觀測(cè)磁鏈，從而能夠精準(zhǔn)的進(jìn)行磁場(chǎng)定向。并通過光電編碼器實(shí)時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)速信息與給定速度構(gòu)成閉環(huán)反饋。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)磁鏈的周期計(jì)算結(jié)果隨電機(jī)速度快慢變化而變化，當(dāng)還沒有實(shí)現(xiàn)沿轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向時(shí)隨電機(jī)方向不同而呈現(xiàn)正向磁鏈和反向磁鏈，此時(shí)勵(lì)磁電流會(huì)出現(xiàn)為負(fù)的現(xiàn)象，不過這一點(diǎn)并不會(huì)影響電流模型磁鏈的計(jì)算。該系統(tǒng)使得感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩電流之間幾乎成線性關(guān)系，其控制性能完全可以與直流電機(jī)相媲美。

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