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1、基于DSP的高性能异步电机矢量控制系统设计基于DSP的高性能异步电机矢量控制系统设计zhangting导语：作为沟通异步电机控制的一种方式，矢量控制技术已成为高性能变频调速系统的首选方案。作为沟通异步电机控制的一种方式，矢量控制技术已成为高性能变频调速系统的首选方案。矢量控制系统中，磁链的观测精度直接影响到系统控制性能的好坏。在转子磁链定向的矢量控制系统中，转矩电流和励磁电流能得到完全解耦1。一般而言，转子磁链观测有两种方法:电流模型法和电压模型法。磁链的电流模型观测法中需要电机转子时间常数，而转子时间常数易受温度和磁饱和影响。为克制这些缺点，需要对电机的转子参数进展实时观测，但这样将使得系统
2、更加的复杂。磁链的电压模型观测法中不含转子参数，受电机参数变化的影响较小。矢量控制计算量大，要求具有一定的实时性，进而对控制芯片的运算速度提出了更高的要求。本文介绍了一种异步电机矢量控制系统的设计方法，采用了电压模型观测器2对转子磁链进展估计，针对积分环节的误差积累和直流漂移问题，采用了一种带饱和反应环节的积分器3来代替电压模型观测器中的纯积分环节。整个算法在tms320f2812dsp芯片上实现，运算速度快，保证了系统具有很好的实时性。异步电机矢量控制策略矢量控制系统组成矢量控制的根本原理是:根据磁链等效原那么，利用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换将定子电
3、流分解为互相正交的两个分量励磁电流分量isd与转矩电流分量isq，即用这两个电流分量所产生的电枢反响磁场来等效原来定子三相绕组电流所产生的电枢反响磁场。然后分别对isd和isq进展独立控制，这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，因此可获得与直流调速系统同样好的静态及动态性能。本文所介绍的异步电机矢量控制系统的原理框图如图1所示。align=center图1感应电机矢量控制系统/align系统采用速度外环控制、电流内环控制的双闭环构造形式。当系统运行的同步频率在电机额定频率以下时，激磁电流isd为电机额定激磁电流，在额定频率以上时采用弱磁控制。图1所示系统中采用了3个pi调节器。
4、转速调节器根据转速差输出转矩电流的给定值，转矩电流调节器和励磁电流调节器分别调节转矩电流和励磁电流分量。转子磁链观测器根据实际电机输入电流、电压观测出转子磁链的大小和角度。转子磁链观测从控制理论的角度来讲，一个控制系统的精度主要取决于反应信号的精度。所以按转子磁链定向矢量控制的精度主要取决于磁链估计的精度。而由异步电机的磁链电压观测方程式img=165,37ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf22.jpg/img1可知，磁链是由反电动势积分得到，为理解决纯积分带来的积分器饱和初值等问题，本系统采用了带饱和反应环节的积分器3来代替纯积分环节，其原理框图如图
5、2所示。磁链观测器的输出为:img=141,39ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf23.jpg/img2其中，img=131,33ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf24.jpg/img，img=14,18ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf25.jpg/img为电机反电动势;为饱和环节的输出。当转子观测磁链小于即是转子磁链的给定值，即img=57,20ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf26.jpg/img时，img=43,20ca
6、800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf27.jpg/img;当转子观测磁链大于转子磁链的给定值，即img=57,20ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf28.jpg/img时，img=38,20ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf29.jpg/img。所以当img=57,20ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf30.jpg/img时，磁链观测模型为:img=47,33ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf
7、31.jpg/img3上述观测模型变为一纯积分环节，即普通的电压观测模型。当img=56,20ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf32.jpg/img时，磁链观测模型为:img=128,36ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf33.jpg/img4由上式可知，当公道选取img=12,16ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf34.jpg/img的大小时，即使输入存在直流偏置信号，转子磁链观测模型输出也不会出现积分饱和，能有效抑制直流偏移。模型中img=12,16ca800/up
8、loadfile/maga/servo2007-2/_wmf34.jpg/img的选取很关键，img=12,16ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf34.jpg/img选取过大会造成输出有较大的直流分量，img=12,16ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf34.jpg/img选取过小会造成输出有较大失真。在本系统中取img=53,21ca800/uploadfile/maga/servo2007-2/_wmf36.jpg/img转子磁链给定。font=黑体color=black矢量控制系统的硬件实现/color/
9、font基于tms320f2812的矢量控制方案组成的沟通变频调速系统的构造框图如图3所示。图2带饱和反应的转子磁链电压观测模型图3矢量控制系统电路构造图align=left整个系统为交直交变压变频电路，由主回路、控制回路和辅助回路三大局部组成。系统主电路采用的变频器是交直交电压源型变压变频器，由二极管整流器和六管封装的igbt功率模块组成逆变器。控制回路采用数字化设计，以dsp数字处理器为核心，来完成矢量控制核心算法、svpwm脉冲的产生、相关电流的检测处理、与上位机的通讯等。辅助回路那么为开关电源局部，为系统中各芯片提供所需的电压。font=arialblackdsptms320f2812
10、/font整个系统控制策略的实现由dsptms320f1812来实现。它是ti公司专为电机控制而设计的定点芯片，其主频可达150mhz。片内两个事件治理器eva和evb各有2个通用定时器，6个带可编程死区功能的pwm输出通道，2个外部硬件中断引脚,6个捕捉单元和2个正交编码单元。这些功能模块极大的方便了电机控制经过中的算法运算和数据输出等。功率驱动局部异步电机的功率驱动为交直交pwm方式，采用pimpowerintegratedmodule功率模块fp75r12ke3，其中包含有三相不可控整流电路和由6个igbt构成的逆变电路以及一个供能耗制动时用的igbt。dsp的pwm16脚提供pwm触发
11、信号，经隔离驱动电路来控制功率模块中的igbt的通断，实现svpwm逆变输出。同桥臂的两路pwm触发信号采用互锁输出，能在硬件上有效防止桥臂的直通现象。同时在相应故障引脚输出故障信号至dsp的pdpinta引脚，通过硬件中断，封闭pwm脉冲输出。font=黑体开关电源局部/font开关电源采用单端反激式拓扑设计4，控制芯片采用电流型pwm发生芯片uc3844，通过调整谐振电阻和谐振电容使其工作在80khz。控制方式采取电压外环控制和峰值电流内环控制形式。tl431和光耦nec2501组成输出电压取样电路，将变压器的二次侧的输出电压反应给uc3844。uc3844将实际反应的电压与其自身产生的2
12、.5v基准电压比拟，产生输出电压误差，经误差放大器后作为门限电压，构成电压外环。同时对开关变压器的原边电流采样，并将门限电压和电流采样电压一起送到电流比拟器，形成电流内环。当电流采样电压大于门限电压后，比拟器输出关断功率管，并保持这种状态直至下一个周期。所以根据输出电压的变化，经调节后使脉宽调制器输出脉冲宽度作相应变化，进而以到达稳定输出电压的目的。/alignfont=黑体color=black仿真与实验结果/color/font本文采用matlab对图2所示的转子磁链观测模型进展了仿真，得到的仿真波形如图4和图5所示。图4纯积分器和带饱和特性反应的积分器比拟其中图4中曲线1为带直流偏移的输
13、入信号，曲线2为普通电压观测模型的输出信号，曲线3为带饱和反应的电压观测模型的输出信号。可以看出，由于正的直流偏移的参加，曲线2随着误差的累积，出现了明显的偏向。而曲线3经饱和特性环节的反应作用后，曲线的上部仅有一些失真。图5为采用图2所示的磁链观测模型所得到的转子磁链的观测波形，从中可以看出磁链信号良好的正弦度。图5转子磁链信号李萨育波形本系统的实验是在一台11kw的y型接法的三相异步电机上进展的，dsptms320f2812的时钟频率设为150mhz，svpwm的开关频率为5khz，死区时间为3.2s。当频率为20hz时的电压电流波形如图6所示，频率为40hz时的电流，电压波形如图7所示。620hz时输出电压、电流波形图740hz时输出电压、电流波形font=黑体color=blackb结语/b/color/font本文具体介绍了基于dsp的异步电机矢量控制系统各局部的设计方法，该系统具有硬件电路简单、构造灵敏等特点。所采用的带饱和反应环节的电压观测模型对转子磁链的观测精度高，能有效抑制直流漂移和初始值不确定等造成的误差。仿真和实验证实，采用此设计方法设计的异步电机矢量控制系统具有很好的控制性能。0