林立，姬長義，林敏之，李亞楠

（1.422000 湖南省 邵陽市 多電源地區(qū)電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室;2.422000 湖南省 邵陽市 邵陽資水科技有限公司）

0 引言

近年來，環(huán)境污染、能源緊張、全球變暖等一系列問題以及國家政策的大力扶持，使得電機驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機驅(qū)動成為一種趨勢[1-2]。異步電機因其成本低、結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實耐用、相較于永磁同步電機無永磁體退磁風(fēng)險等優(yōu)點，在新能源汽車、農(nóng)業(yè)機械、家電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-4]。隨著技術(shù)的發(fā)展，研究高性能的電驅(qū)動控制系統(tǒng)對純電動汽車的發(fā)展至關(guān)重要。目前，國內(nèi)多以永磁同步電機作為電動汽車驅(qū)動，異步電機在此領(lǐng)域的應(yīng)用與研究較少。為進一步研究車用異步電機高性能控制策略，搭建易于開發(fā)車用異步電機高性能控制策略實驗平臺就顯得尤為重要[5-8]。本文在分析了異步電機矢量控制系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，在MATLAB/Simulink 中完成了對基于空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）控制的車用異步電機矢量控制系統(tǒng)模型的搭建，并在MATLAB/Simulink 與CCS6.2 環(huán)境中編寫了基于TMS320F28335 控制的異步電機矢量控制系統(tǒng)代碼生成軟件，其中包含中斷模塊、脈寬調(diào)制（Pulse width Modulation，PWM）模塊、正交編碼（Quadrature Encoder Pulse，QEP）模塊、串口通信（Serial Communication Interface，SCI）模塊等，使用LabVIEW 建立了上位機監(jiān)控界面，搭建了以IPM-FSBB30CH060 為逆變電路主要元件的車用異步電機高性能控制平臺，對車用異步電機高性能控制策略進行了較為全面的研究。

1 異步電機數(shù)學(xué)模型及坐標(biāo)變換

在分析異步電機數(shù)學(xué)模型時，通常認(rèn)為三相繞組對稱，且忽略空間諧波，產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布。不考慮鐵心損耗、磁鏈飽和以及溫度、頻率變化對繞組電阻的影響。

為提高異步電機控制性能，需要針對其非線性、多變量、強耦合的特點[9-10]，分析轉(zhuǎn)矩、磁鏈規(guī)律，建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型。

1.1 αβ 坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程

異步電機αβ坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為：

式中：Ls——電機定子自感；Lr——電機轉(zhuǎn)子自感；Lm——電機定、轉(zhuǎn)子間互感；σ——漏磁系數(shù)，；Tr——轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)，；ψrα，ψrβ——轉(zhuǎn)子磁鏈；Rs、Rr——定、轉(zhuǎn)子電阻；ω——電磁角速度；TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J——轉(zhuǎn)動慣量。

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

式中：np——異步電機極對數(shù)。

1.2 坐標(biāo)變換

1.2.1 三相-兩相變換(Clark 變換)

αβ坐標(biāo)系下的電流iα、iβ可用三相繞組電流ia、ib、ic表示為：

1.2.2 Park 變換

αβ坐標(biāo)系下的電流iα、iβ可用isd、isq表示為：

2 SVPWM 原理與實現(xiàn)

2.1 SVPWM 原理

8 個基本電壓矢量由逆變器6 個功率開關(guān)器件通斷產(chǎn)生，其中6 個有效矢量、2 個零矢量。SVPWM 將αβ坐標(biāo)系劃分為6 個扇區(qū)，如圖1 所示。

圖1 電壓空間矢量圖Fig.1 Voltage space vector diagram

以扇區(qū)I 為例，期望輸出電壓矢量為Uout可由有效電壓矢量U4、U6及零矢量U0、U7合成，矢量U4、U6作用時間計算如式（5）所示。

式中：Ud——直流端電壓；Ts——PWM 作用周期；θ——期望電壓與基本電壓U4的夾角；t1，t2——基本電壓U4、U6作用時間。零矢量作用時間為t0=Ts-t1-t2。這就要保證Ts＞t1+t2，當(dāng)Ts＜ t1+t2時就要對作用時間進行調(diào)制。

2.2 SVPWM 實現(xiàn)

首先對期望電壓進行扇區(qū)判斷，扇區(qū)的判斷需要引入中間量Uref1，Uref2，Uref3，A，B，C。令：

當(dāng)Uref1＞0，則A=1，否則A=0；

當(dāng)Uref2＞0，則B=1，否則B=0；

當(dāng)Uref3＞0，則C=1，否則C=0；

扇區(qū)值N=A+2B+4C，根據(jù)表1 得到期望電壓所在扇區(qū)。

表1 扇區(qū)值與扇區(qū)關(guān)系Tab.1 Relationship between sector value and sector

扇區(qū)判斷完成后需要計算相鄰電壓矢量作用時間，令：

不同扇區(qū)對應(yīng)的矢量作用時間如表2 所示。

表2 各扇區(qū)對應(yīng)矢量作用時間Tab.2 Vector action time corresponding to each sector

利用零矢量分散的實現(xiàn)方式確定切換時間，計算方式為：

根據(jù)表3 確定各扇區(qū)的矢量切換時間點。

表3 各扇區(qū)矢量切換點Tab.3 Vector switching point of each sector

Tcm1、Tcm2、Tcm3是與三角載波進行比較產(chǎn)生PWM 脈沖的3 個比較值。

3 矢量控制系統(tǒng)仿真分析

依據(jù)式（1）-式（8）分析，分別搭建異步電機、SVPWM、逆變器、Clark/Park 變換與其逆變換的仿真模型，組成系統(tǒng)仿真模型，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)仿真模型Fig.2 System simulation model

仿真時，異步電機參數(shù)為：Ls=Lr=0.071 H，Lm=0.069 H，Rs=0.435 Ω，Rr=0.816 Ω，J=0.19 kg·m2，np=2。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 中，kp=50，ki=0.8，積分內(nèi)限幅為±80，外限幅為±50。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR中，kp=50、ki=0.8，積分內(nèi)限幅為±60，外限幅為±80。磁鏈調(diào)節(jié)器Aphir 中，kp=1.8，ki=100，積分內(nèi)限幅為±15，外限幅為±10。轉(zhuǎn)速給定初始值600 r/min，勵磁電流給定初始值idref=5 A。0～0.5 s時，TL=10 N·m，0.5～1.0 s 時，TL=30 N·m，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及電流仿真波形圖Fig.3 Simulation waveform of speed,torque and current

由圖3 可知，系統(tǒng)在0.25 s 快速達到給定轉(zhuǎn)速值，電流能夠穩(wěn)定在±15 A 內(nèi)；0.5 s 突加負(fù)載至30 N·m 時，輸出轉(zhuǎn)矩能夠快速響應(yīng)，經(jīng)過0.015 s達到穩(wěn)態(tài)且轉(zhuǎn)速波動很小。仿真結(jié)果表明，所建立的異步電機矢量控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)和較好的抗負(fù)載擾動能力。

4 實驗平臺設(shè)計

4.1 硬件實驗平臺設(shè)計

本文以DSP 控制器TMS320F28335 為核心搭建了硬件平臺，系統(tǒng)硬件原理框圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.4 Schematic block diagram of system hardware

硬件實驗平臺如圖5 所示，圖5 中：A——上位機；B——TMS320F28335 控制器；C——驅(qū)動板；D——24 V 開關(guān)電源；E——220 V AC-DC 開關(guān)電源；F——異步電機；G——正交光電編碼器。

圖5 硬件實驗平臺Fig.5 Hardware experiment platform

上位機負(fù)責(zé)程序編寫、代碼生成，并利用通信串口與控制器通訊，通過監(jiān)控界面實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)的在線觀測與實時控制。驅(qū)動板由主電路、IPM-FSBB30CH060、電流傳感器、電壓傳感器等組成。IPM-FSBB30CH060 內(nèi)部集成有控制電路、邏輯電路、檢測電路和保護電路，控制電路采用大功率晶體管，具有耐高壓、高電流密度等優(yōu)點。24 V 開關(guān)電源為驅(qū)動板供電，220 V AC-DC 開關(guān)電源為主電路供電。2 個電流傳感器測量V 相、W相電流，電壓傳感器檢測主電路電壓。

4.2 軟件實驗平臺設(shè)計

軟件平臺由異步電機矢量控制代碼生成程序和系統(tǒng)監(jiān)控界面組成，異步電機矢量控制代碼生成程序如圖6 所示。

圖6 矢量控制程序Fig.6 Vector control program

異步電機矢量控制程序由中斷向量表、PWM模塊、QEP 模塊、SCI 模塊組成。state 為軟件啟停參數(shù)，speed_base 為轉(zhuǎn)速計算參數(shù)，tmpg 為單位時間脈沖個數(shù)，rpm_kp、rpm_ki、isd_kp、isd_ki、isq_kp、isq_ki 分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PI 參數(shù)、定子勵磁電流調(diào)節(jié)PI 參數(shù)、定子轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)PI 參數(shù)，tr 為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，lm 為互感、ws 為轉(zhuǎn)差頻率、usdlimit、usqlimit 為勵磁電壓和轉(zhuǎn)矩電壓的限幅、rpm 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的反饋，ia、ib、ic 為三相電流，aaa、bbb 為 A、B 相電流數(shù)字量，ia_k、ib_k 為 A、B 電流數(shù)字量補償。

PWM模塊包含ADC采樣、坐標(biāo)變換、SVPWM、磁鏈角度計算和3 個PI 調(diào)節(jié)器（轉(zhuǎn)速外環(huán)1 個，電流內(nèi)環(huán)2 個）。QEP 模塊用于電機轉(zhuǎn)速檢測。SCI 模塊用于上位機串口與驅(qū)動系統(tǒng)半實物仿真平臺通訊，并通過監(jiān)控界面實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)的在線觀測與實時控制。監(jiān)控界面能夠檢測并圖像顯示轉(zhuǎn)速、三相電流、定子轉(zhuǎn)矩電流、定子勵磁電流以及勵磁電壓、轉(zhuǎn)矩電壓。

5 實驗驗證

為了驗證設(shè)計的異步電機高性能控制平臺的性能，以額定功率PN=60 W、頻率f=50 Hz、額定電流IN=0.35 A、額定電壓UN=380 V、額定轉(zhuǎn)速nN=1 430 r/min 的三相異步電機作為被控對象進行實驗驗證，實驗時給定初始轉(zhuǎn)速為600 r/min，監(jiān)控界面數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 上位機檢測數(shù)據(jù)Fig.7 Upper computer speed detection

系統(tǒng)能夠快速達到給定轉(zhuǎn)速且穩(wěn)定運行，電流能夠穩(wěn)定在±0.2 A 內(nèi)。實驗結(jié)果表明，所搭建的異步電機控制平臺具有良好的動態(tài)響應(yīng)，所構(gòu)建的上位機監(jiān)控界面實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速、相電流、勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流等信息的實時數(shù)據(jù)采集與圖像化顯示。

6 結(jié)語

文章研究了異步電機矢量控制系統(tǒng)原理，分析了異步電機數(shù)學(xué)模型以及SVPWM 調(diào)制方法，利用MATLAB/Simulink 搭建了異步電機、坐標(biāo)變換、主電路和SVPWM 控制算法仿真模型，對異步電機矢量控制進行了系統(tǒng)建模及仿真驗證，并在MATLAB/Simulink 和CCS6.2 環(huán)境中搭建了以TMS320F28335 控制的異步電機矢量控制系統(tǒng)代碼生成軟件，利用LabVIEW 構(gòu)建了上位機監(jiān)控界面，搭建了硬件實驗平臺。文章所設(shè)計搭建的異步電機高性能控制平臺滿足了車用異步電機高性能控制策略開發(fā)需求，可以進一步進行異步電機高性能控制策略研究，在工程實踐應(yīng)用上具有重要參考價值。