基于DSP的異步電機矢量控制系統設計

　　0 引言

　　隨著現代控制理論、微處理技術和電力電子技術的不斷發展，基于矢量控制的高性能交流傳動系統得到廣泛的應用。異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數系統，若以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標，再利用坐標變換，就可以把定子電流中的勵磁分量和轉矩分量獨立開來分別進行控制。這就是矢量控制的出發點。SVPWM調制技術把逆變器和電機看成一個整體來處理，所得模型簡單，便于處理器實時控制，并具有轉矩脈動小、噪聲低、電壓利用率高等優點。本文以TI公司的專用電機控制芯片TMS320F2812為核心，給出了整個異步電機矢量控制系統的設計方案，并通過實驗驗證了其有效性。

　　1 異步電機矢量控制原理

　　矢量控制技術自從上世紀60、70年代開始，國內外眾多專家學者就已經進行了潛心的研究，因此，矢量控制技術發展至今，內容已經非常豐富。本文只討論基于轉子磁場定向的矢量控制原理。

　　1．1 異步電機控制的數學模型

　　鼠籠式異步電機在d，q兩相同步旋轉坐標系下的數學模型的電壓方程為：

　　其中：usd和usq分別為d，q旋轉坐標系下的定子電壓；isd和isq分別為d，q旋轉坐標系下的定子電流；ird和irq分別為d，q旋轉坐標系下的轉子電流；Rs和Ls分別為定子繞組的電阻與自感；Rr和Lr分別為定子繞組的電阻與自感；Lm為定轉子互感；P為微分算子；ω1為同步旋轉角頻率；ωs為轉差角頻率；

　　將轉子磁鏈矢量定在d軸方向上，可以推導出轉子磁鏈為：

　　其中：Tr為轉子時間常數。

　　由式(2)可見，調節定子電流的isd分量可以調節轉子磁鏈ψr，而當保持該定子電流磁通分量不變時，轉子磁通保持不變。其轉矩方程為：

　　其中：Te為電磁轉矩；np為電機的極對數；由式(3)可見，控制定子電流isq分量可以控制電機的電磁轉矩Te，通過該轉矩分量可以調節電機的轉速。該控制系統采用雙閉環結構，圖1所示是其控制系統結構原理圖。

　　該控制系統所檢測的兩相定子電流經Clarke與Park變換后可產生轉矩電流分量和勵磁電流分量，然后結合檢測轉速并通過電流模型計算坐標變換所需的磁鏈角。檢測轉速與給定轉速誤差經PI調節后將生成轉矩給定值。轉矩電流分量與勵磁電流分量的誤差經PI調節可產生u小M。給定值，并在通過旋轉坐標變換后輸入SVPWM模塊以產生6路PWM波，從而控制逆變器。

　　1．2 SVPWM原理

　　電壓空間矢量PWM技術是SPWM技術與電機磁鏈圓形軌跡直接結合的一種方法。它從電動機角度出發，直接以電動機磁鏈圓形軌跡控制為目的，該方法不僅在控制上與SPWM的效果相同，而且更直觀，物理意義更明晰，實現起來也很方便。SVPWM調制方法是利用交替使用不同的電壓空間矢量(六個基本電壓矢量和兩個零矢量)合成實現的。參考矢量合成規則是：由當前參考矢量所在扇區的兩個電壓矢量分別作用一定時間合成所得。為了補償參考矢量的旋轉頻率，設計時需要插入零矢量。

　　2 控制系統硬件組成

　　本系統主電路由整流電路、中間直流電容濾波和IGBT模塊封裝逆變器等組成。控制電路采用TI公司的電機專用控制芯片TMS320F2812為核心，由DSP最小系統板與控制底板構成，用以實現采樣調理、矢量控制及SVPWM調制算法等。此外，該控制系統還包括隔離開關電源、PWM驅動電路、轉速轉矩傳感器、以及霍爾電流傳感器等輔助電路，其中開關電源為整個控制電路提供多路隔離電源，其控制系統總體框圖如圖2所示。

　　2．1 定子電流檢測

　　通過霍爾電流傳感器可將采樣得到的兩相定子電流經過調理電路后送入DSP的AD口，以將模擬信號轉換為數字信號。其采樣轉換過程如圖3所示。

　　2．2 轉速檢測

　　通過智能數字式轉矩轉速測量儀可檢測轉速。當測速碼盤連續旋轉時，可通過光電開關輸出具有一定周期寬度的脈沖信號，這樣，根據碼盤的齒數和輸出信號的頻率，即可計算出相應的轉速。

　3 控制系統軟件設計

　　控制系統軟件主要分為兩部分：一是控制系統主程序，包括系統初始化、定時器初始化、使能定時器下溢中斷與CPU中斷、其他系統模塊參數初始化等；二是中斷子程序，包括ADC模塊、CLARKE／PARK變換模塊、Id／Iq與速度PID模塊、PARK逆變換模塊、SVPWM模塊、速度計算模塊、電機電流模型計算模塊等。整個系統軟件的總體結構如圖4所示。

　　4 實驗結果

　　通過實驗可對上述矢量控制算法進行實驗驗證，實驗時，可選功率開關管的開關頻率為5kHz，死區為5．2μs。電機為4極三相籠型異步電機，其額定參數為：PN=3 kW，UN=220V，IN=7．5A，fN=50 Hz，nN=1500 r／min。圖5所示是實驗得出的結果和響應曲線。

　　該實驗結果顯示，該控制系統具有良好的動態和靜態特性。

　　5 結束語

　　本文以TI公司的電機控制專用DSP芯片TMS320F2812為基礎，采用基于轉子磁場定向控制和SVPWM調制技術，構建了一種異步電機矢量控制系統，并通過實驗驗證了該控制算法的正確性和有效性，具有一定的實用價值。