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1、基于矢量控制的高性能异步电机速度控制器的设计基于矢量控制的高性能异步电机速度控制器的设计lihan导语：可靠性和实时性是对控制系统的根本要求可靠性和实时性是对控制系统的根本要求,最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路。随着电子技术的进步,以脉宽调制PWM为根底的变频调速技术已广泛应用于电机控制中。在数字化趋势广泛流行的今天,集成电路甚至电机控制专用集成电路已大量应用在电机控制中。十分是最近几年兴起一种全新的设计思想,即基于现场可编程门阵列FPGA的硬件实现技术。该技术可以应用于基于矢量控制的异步电机变频调速系统中。FPGA本身是标准的单元阵列,没有一般的IC所具有的功能,但用户可以根据自己的
2、需要,通过专门的布局布线工具对其内部进展编程,在最短的时间内设计出自己的专用集成电路,进而大大地进步了产品的竞争力。由于FPGA以纯硬件的方式进展并行处理,而且不占用CPU的资源,使系统可以到达很高的性能。这种设计方法应用于异步电机矢量控制变频调速系统时,一般把电流控制作为DSP的协处理,转子速度和转子磁链算法由DSP主机来实现。一般情况下,位置控制比拟灵敏,很难做到通用性,所以位置环节一般由DSP来完成,但速度控制和电流控制具有通用性,因此可以把它们集成到一个专用芯片中。这样,既可以实现速度控制,又可以对电流单独控制,还可以和DSP共同构成位置控制系统。如图1所示,假设FPGA中集成有CPU
3、内核,那么可以把位置、速度、电流3种算法完全由1片FPGA来实现,进而实现真正的片上系统12。ALIGN=CENTER图1异步电机速度控制器系统的集成化构造图2三相绕组与二相绕组的轴线设定/ALIGNFPGA将半定制器件逻辑集成度高的优点与标准逻辑器件开发周期短和开发本钱低的优点结合在一起后,具有构造灵敏、高密度、高性能、开发工具先进、编程完毕后的成品无需测试和可实时在线检验等优点。本文介绍的异步电动机矢量控制调速系统按照模块化设计的根本思想,研究电流矢量控制、速度PI调节、电流PI调节、反应速度测量、电流磁链转换、SVPWM、Clarke变换、Park变换和Park逆变换等几个主要功能模块的
4、数字构造,并在单片XilinxFPGA中完成了主要模块的布局布线,实现异步电机矢量控制速度控制器的专用集成电路3。一.矢量控制的根本原理设异步电机三相绕组A、B、C与二相绕组、的轴线设定如图2所示,A相绕组轴线与相绕组轴线重合,都是静止坐标,分别对应的沟通电流为iA、iB、iC和i、i。采用磁势分布和功率不变的绝对变换,三相沟通电流在空间产生的磁势F与二相沟通电流产生的磁势相等。即采用正交变换矩阵,那么其正变换公式为:由二相静止坐标系,到二相旋转坐标系d-q的变换称为Park变换。、为静止坐标系,d-q为任意角速度旋转的旋转坐标系。当、静止坐标系变换为d-q旋转坐标系时,坐标轴的设定如图3所示
5、。图3中为轴与d轴之间的夹角,d、q绕组在空间垂直放置,加上直流id和iq,并让d、q坐标以同步转速旋转,那么产生的磁动势与-坐标系等效。d-q和-轴的夹角是一个变量,随负载、转速而变化,在不同的时刻有不同的值。Park变换,写成矩阵形式,其公式如下:ALIGN=CENTER图3-坐标/ALIGN矢量控制亦称磁场定向控制,其根本思路是:模拟直流电机的控制方法进展控制,根据磁势和功率不变的原那么通过正交变换,将三相静止坐标变换成二相静止坐标Clarke变换即3/-变换,其坐标变换关系如图2,定量关系如公式1,然后通过旋转变换将二相静止坐标变成二相旋转坐标Park变换,即-/d-q变换,坐标变换关
6、系如图3,定量关系如公式3。在-/d-q变换下将定子电流矢量分解成按转子磁场定向的2个直流分量id、iq其中id为励磁电流分量,iq为转矩电流分量,并对其分别加以控制,控制id就相当于控制磁通,而控制iq就相当于控制转矩。2个直流分量id和iq分别由速度和电流PI调节器经电流电压变换和Clarke逆变换坐标变换关系如图2,定量关系如公式2、Park逆变换坐标变换关系如图3,定量关系如式4和电压空间矢量变换后,获得控制逆变器的6路PWM信号,进而实现对异步电机的变压变频控制。二.控制器的数字硬件设计异步电机速度控制器的数字硬件设计主要包括Clarke变换、Clarke逆变换;Park变换、Par
7、k逆变换;电流PI调节模块、速度PI调节模块;电压空间矢量模块;转子磁链计算模块和速度检测模块等几个不同局部。矢量控制异步电机调速系统的主电路和数据运算途径如图4所示。2.1.矢量变换模块设计矢量变换包括相坐标以及坐标旋转正变换和反变换,式14给出了相应变换的定量运算公式。其中式1、2的数字实现比拟简单,1个加法器和1个乘法器就可以完成变换运算;式3、4确定的坐标旋转正变换和逆变换,在工程理论中可以采用查正弦表或者泰勒级数展开的方式进展计算,进而完成相应的功能。2.2PI调节器模块设计ALIGN=CENTER图4速度控制器的数据途径/ALIGN电流内环和速度外环都是按PI控制策略进展调节的,式
8、5为双线性变换PI调节器的迭代公式。On=Pn+In5其中比例项迭代公式为:Pn=KpEn6积分项迭代公式为:In=In-1+KhEn+En-17式中En为误差输入,Kp为比例增益,Kh为积分增益,Kp和Kh的范围由电机参数决定,并且需要通过实验来确定其详细值。为防止溢出,调节器设置了饱和限制。电流PI调节器输出的是电压指令,以调制系数的形式经过补偿后送给SVPWM模块;速度PI调节器输出的是参考电流指令,直接送给电流调节器。不管是电流调节器还是速度调节器,假如参考指令值比拟大,其积分器就有可能会建立起一个很大的误差值,并且由于积分器的惯性作用,这个误差会一直保持较长时间,进而将导致过大的超调
9、。因此在设计PI调节器时,应当在积分器的输出超过限定值时立即关闭积分作用,以减少过度超调的影响。2.3M/T法测速模块设计基于转子磁场定向的异步电机矢量控制变频调速控制器的关键问题是转子位置及反应速度的测量。本方案采用增量式光电码盘及霍尔元件作为位置检测器件,在上电复位时由霍尔元件粗略检测电机转子的初始位置进展软启动,当码盘的Z脉冲出现后就可以得到准确的位置信息。位置计数那么按码盘的2个正交输出脉冲QEP1和QEP2的4倍频进展,其脉冲波形如图5所示。转速是利用M/T法进展测量的。M/T法是在M法的根底上汲取T法的优点,其测量转速的经过为:在转速输出脉冲的下降沿启动定时器定时长度为Tc,同时记
10、录转速输出脉冲个数ml和时钟脉冲个数m2。测量时间到,先停顿对转速输出脉冲个数的计数,待下一个转速输出脉冲下降沿到来时,再停顿对时钟脉冲计数,以保证测到整个转速传感器的输出脉冲。所设的根本测量时间TC可防止T法因转速高导致测量时间减小的缺点;同时读取对时钟脉冲的计数值可防止M法因转速降低导致精度变差的缺点。其测量时间为:ALIGN=CENTER图5脉冲波形图6M/T法测速原理/ALIGN2.4电压空间矢量模块设计电压空间矢量脉宽调制法也称磁链追踪型PWM法,该方法把电动机与逆变器看为一体,侧重于以电动机获得幅值恒定的圆形磁场为目的,以三相对称正弦电压供电时沟通电动机中的理想磁链为基准,用逆变器
11、不同的开关形式所产生的磁链有效矢量来逼近基准圆。理论分析和实验说明SVPWM调制的脉动转矩小,噪音低和直流电压利用率高比普通的SPWM调制约高15%。这种控制方法在变频器、逆变器中得到了广泛的应用。电压空间矢量构造框图如图7所示。ALIGN=CENTER图7电压空间矢量硬件构造/ALIGN图中对称/不对称波形发生器、输出逻辑电路、空间矢量状态机的合成由比拟控制存放器的相应位进展控制,详细工作原理可参见文献5、6。除了上述主要模块外,还有通讯模块、存放器堆以及监控和保护等辅助性模块,其中通讯模块主要用来与DSP或者主机交换数据见图1。所有这些模块构成了一个完好的速度随动控制器,并在1片FPGA中
12、实现。三.硬件设计的FPGA实现与实验结果基于矢量控制的高性能异步电机速度控制器设计电路中的所有模块均用硬件语言VHDL进展描绘。在源代码通过功能仿真与时序仿真测试后,再经过SynPlify软件综合生成EDF网表文件,最后在Xilinx的FPGASpartanE一XC2S300E器件中实现,其中器件的布局和布线在Xilinx集成开发环境ISE5.li中完成。系统资源利用情况如表1所示,整个设计消耗的等效门数约为350000,根本接近饱和。假设考虑到将来的功能扩展,那么需要容量更大的芯片,但现有设计可重复利用,无需作较大的修改7。本设计中异步电机速度控制器IC系统的时钟频率可以运行在33.33M
13、Hz下,并且可以通过上位机访问内部存放器来设置控制系统中的各种有关参数。这种IC芯片既可以与TMS320L2812DSP及其他电路共同构成一个完好的系统来实现位置随动控制,也可以单独构成速度随动控制系统。在测试速度控制器性能的实验中,驱动对象是一台最高转速为4900r/min、编码器线数为4900的1.5kW的异步电动机,且开关频率与采样频率均设为12kHz。图8和图9所示的是在不同转速指令下所测得的电动机转子速度跟踪曲线和轴电流响应曲线。图8中的转速指令为从01168r/min的阶跃输入,动态响应时间不到0.5ms,最大超调量低于0.8%,稳态误差小于0.02%;图9中的转速指令为斜坡输入,
14、加速度为0.42r/min/采样,目的速度为495r/min,动态跟踪误差在4%以内,稳态误差约为0.03%。假设进一步进步开关频率和采样频率,那么控制系统的运行性能将会更加优良8。ALIGN=CENTER图8阶跃速度指令下的响应曲线图9斜坡速度指令下的响应曲线/ALIGN单片集成、混合集成和系统集成可看成是电力电子集成的不同层次和形式,现阶段单片集成局限于小功率范围;中功率领域多采用混合集成或者混合集成与系统集成相结合的形式;大功率领域仍以系统集成为主。单片集成和混合集成由于具有更高的集成度和更好的性能,因此是将来集成技术的主要开展方向9。本文所设计的基于FPGA的异步电机变频调速专用IC,内部集成了Clarke变换、Park变换、Park逆变换、速度PI调节、电流d轴PI调节、电流q轴PI调节、对转子磁链定位和速度检测、电压空间矢量脉宽调制及PWM波形发生等算法,速度外环和电流内环的采样频率分别可以到达35kHz和20kHz。实验结果说明,该专用控制器在运行时有着良好的动、静态性能。该专用IC已经在高性能集成数控系统中获得应用,并获得了很好的理论效果,对研制具有自主知识产权的矢量控制异步电机变频调速专用芯片有着特别重要的参考价值。0