基于矢量控制的高性能異步電機速度控制器的設計
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| 關鍵詞：異步電機 矢量控制 現(xiàn)場可編程門陣列 智能控制器 控制算法 |
可靠性和實時性是對控制系統(tǒng)的基本要求,最初的電機控制都是采用分立元件的模擬電路。隨著電子技術的進步,以脈寬調制(PWM)為基礎的變頻調速技術已廣泛應用于電機控制中。在數(shù)字化趨勢廣泛流行的今天,集成電路甚至電機控制專用集成電路已大量應用在電機控制中。特別是最近幾年興起一種全新的設計思想,即基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的硬件實現(xiàn)技術。該技術可以應用于基于矢量控制的異步電機變頻調速系統(tǒng)中。FPGA本身是標準的單元陣列,沒有一般的IC所具有的功能,但用戶可以根據(jù)自己的需要,通過專門的布局布線工具對其內部進行編程,在最短的時間內設計出自己的專用集成電路,從而大大地提高了產品的競爭力。由于FPGA以純硬件的方式進行并行處理,而且不占用CPU的資源,使系統(tǒng)可以達到很高的性能。這種設計方法應用于異步電機矢量控制變頻調速系統(tǒng)時,一般把電流控制作為DSP 的協(xié)處理,轉子速度和轉子磁鏈算法由DSP 主機來實現(xiàn)。一般情況下,位置控制比較靈活,很難做到通用性,所以位置環(huán)節(jié)一般由DSP來完成,但速度控制和電流控制具有通用性,因此可以把它們集成到一個專用芯片中。這樣,既可以實現(xiàn)速度控制,又可以對電流單獨控制,還可以和DSP共同構成位置控制系統(tǒng)。如圖1所示,若FPGA中集成有CPU內核,則可以把位置、速度、電流3種算法完全由1片F(xiàn)PGA來實現(xiàn),從而實現(xiàn)真正的片上系統(tǒng)[1][2]。  圖1 異步電機速度控制器系統(tǒng)的集成化結構  圖2 三相繞組與二相繞組的軸線設定 FPGA將半定制器件邏輯集成度高的優(yōu)點與標準邏輯器件開發(fā)周期短和開發(fā)成本低的優(yōu)點結合在一起后,具有結構靈活、高密度、高性能、開發(fā)工具先進、編程完畢后的成品無需測試和可實時在線檢驗等優(yōu)點。本文介紹的異步電動機矢量控制調速系統(tǒng)按照模塊化設計的基本思想,研究電流矢量控制、速度PI調節(jié)、電流 PI調節(jié)、反饋速度測量、電流磁鏈轉換、SVPWM、 Clarke變換、 Park變換和Park逆變換等幾個主要功能模塊的數(shù)字結構,并在單片Xilinx FPGA 中完成了主要模塊的布局布線,實現(xiàn)異步電機矢量控制速度控制器的專用集成電路[3]。 1 矢量控制的基本原理 設異步電機三相繞組(A、B、C)與二相繞組(α、β)的軸線設定如圖2所示,A相繞組軸線與α相繞組軸線重合,都是靜止坐標,分別對應的交流電流為iA、iB、iC和iα、iβ。采用磁勢分布和功率不變的絕對變換,三相交流電流在空間產生的磁勢F與二相交流電流產生的磁勢相等。即采用正交變換矩陣,則其正變換公式為:  其逆變換公式為:  由二相靜止坐標系(α,β)到二相旋轉坐標系(d-q)的變換稱為Park變換。α、β為靜止坐標系,d-q為任意角速度ω旋轉的旋轉坐標系。當α、β靜止坐標系變換為d-q旋轉坐標系時,坐標軸的設定如圖3所示。圖3中θ為α軸與d軸之間的夾角,d、q繞組在空間垂直放置,加上直流id和iq,并讓d、q坐標以同步轉速ω旋轉,則產生的磁動勢與α-β坐標系等效。d-q和α-β軸的夾角θ是一個變量,隨負載、轉速而變化,在不同的時刻有不同的值。Park變換,寫成矩陣形式,其公式如下: 
 圖3 α-β坐標 矢量控制亦稱磁場定向控制,其基本思路是:模擬直流電機的控制方法進行控制,根據(jù)磁勢和功率不變的原則通過正交變換,將三相靜止坐標變換成二相靜止坐標(Clarke變換即3Φ/α-β變換,其坐標變換關系如圖2,定量關系如公式(1)),然后通過旋轉變換將二相靜止坐標變成二相旋轉坐標(Park變換,即(α-β/d-q變換,坐標變換關系如圖3,定量關系如公式(3))。在α-β/d-q變換下將定子電流矢量分解成按轉子磁場定向的2個直流分量id、iq(其中id為勵磁電流分量,iq為轉矩電流分量),并對其分別加以控制,控制id就相當于控制磁通,而控制iq就相當于控制轉矩。 2個直流分量id和iq分別由速度和電流PI調節(jié)器經(jīng)電流電壓變換和Clarke逆變換(坐標變換關系如圖2,定量關系如公式(2))、Park逆變換(坐標變換關系如圖3,定量關系如式(4))和電壓空間矢量變換后,獲得控制逆變器的6路PWM信號,從而實現(xiàn)對異步電機的變壓變頻控制。 2 控制器的數(shù)字硬件設計 異步電機速度控制器的數(shù)字硬件設計主要包括Clarke變換、Clarke逆變換;Park變換、Park逆變換;電流PI調節(jié)模塊、速度PI調節(jié)模塊;電壓空間矢量模塊;轉子磁鏈計算模塊和速度檢測模塊等幾個不同部分。矢量控制異步電機調速系統(tǒng)的主電路和數(shù)據(jù)運算路徑如圖4所示。 2.1 矢量變換模塊設計 矢量變換包括相坐標以及坐標旋轉正變換和反變換,式(1)～(4)給出了相應變換的定量運算公式。其中式(1)、(2)的數(shù)字實現(xiàn)比較簡單,1個加法器和1個乘法器就可以完成變換運算;式(3)、(4)確定的坐標旋轉正變換和逆變換,在工程實踐中可以采用查正弦表或泰勒級數(shù)展開的方式進行計算,從而完成相應的功能。 2.2 PI調節(jié)器模塊設計  圖4 速度控制器的數(shù)據(jù)路徑 電流內環(huán)和速度外環(huán)都是按PI控制策略進行調節(jié)的,式(5)為雙線性變換PI調節(jié)器的迭代公式。 O[n]=P[n]+I[n] (5) 其中比例項迭代公式為: P[n]=Kp 相關推薦
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