異步電動機控制器的設(shè)計方法探討

石　嚴

摘要：作為交流異步電機控制的一種方式，矢量控制技術(shù)已成為高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的首選方案。本文介紹異步電動機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)模塊化設(shè)計的一些方法。

關(guān)鍵詞：異步電機 矢量控制 控制器

1 矢量控制的基本原理

設(shè)異步電機三相繞組(A、B、C)與二相繞組(α、β)的軸線設(shè)定，A相繞組軸線與α相繞組軸線重合，都是靜止坐標(biāo)，分別對應(yīng)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(chǎn)生的磁勢F與二相交流電流產(chǎn)生的磁勢相等。

由二相靜止坐標(biāo)系(α，β)到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)的變換稱為Park變換。α、β為靜止坐標(biāo)系，d-q為任意角速度ω旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。當(dāng)α、β靜止坐標(biāo)系變換為d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系時，坐標(biāo)軸的設(shè)定如圖1所示。圖中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(biāo)以同步轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生的磁動勢與α-β坐標(biāo)系等效。d-q和α-β軸的夾角θ是一個變量，隨負載、轉(zhuǎn)速而變化，在不同的時刻有不同的值。

矢量控制的基本原理是:根據(jù)磁鏈等效原則，利用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，再經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)變換將定子電流分解為相互正交的兩個分量勵磁電流分量id與轉(zhuǎn)矩電流分量iq，即用這兩個電流分量所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場來等效原來定子三相繞組電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場。然后分別對id和iq進行獨立控制，這樣就可以將一臺三相異步電動機等效為直流電動機來控制，因而可獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣好的靜態(tài)及動態(tài)性能。

2 控制器設(shè)計

控制器是由常規(guī)PID控制部分和模糊控制機制、學(xué)習(xí)機制所構(gòu)成。在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上，增加了系統(tǒng)辨識和修正的功能，借助控制器中的自學(xué)習(xí)機制，不斷地修改隸屬函數(shù)，實時調(diào)整PID算法中的比例系數(shù)（KP）、積分系數(shù)（KI）、微分系數(shù)（KD），達到實時調(diào)整控制的作用，使系統(tǒng)模型漸趨完善，直到系統(tǒng)性能達到預(yù)期要求為止?？刂破髦兄R庫用于存放模糊控制規(guī)則和學(xué)習(xí)規(guī)則以及輸人（速度誤差e、速度誤差變化率ec）、輸出語言變量的所有模糊子集的隸屬函數(shù)。學(xué)習(xí)機制包括性能測量、隸屬函數(shù)校正、隸屬函數(shù)修正等幾個功能模塊。其工作原理是：控制器依據(jù)當(dāng)前誤差和誤差變化率，借助自學(xué)習(xí)功能和模糊控制規(guī)則進行推理，控制器輸出作為當(dāng)前控制器的參數(shù)進行PID調(diào)節(jié)。

3 調(diào)節(jié)器模塊設(shè)計

電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)都是按PI控制策略進行調(diào)節(jié)的，式(1)為雙線性變換PI調(diào)節(jié)器的迭代公式。

O[n]=P[n]+I[n] (1)

其中比例項迭代公式為:

P[n]=Kp·E[n] (2)

積分項迭代公式為:

I[n]=I[n-1]+Kh(E[n]+E[n-1]) (3)

式中E[n]為誤差輸入，Kp為比例增益，Kh為積分增益，Kp和Kh的范圍由電機參數(shù)決定，并且需要通過實驗來確定其具體值。為防止溢出，調(diào)節(jié)器設(shè)置了飽和限制。電流PI調(diào)節(jié)器輸出的是電壓指令，以調(diào)制系數(shù)的形式經(jīng)過補償后送給SVPWM模塊;速度PI調(diào)節(jié)器輸出的是參考電流指令，直接送給電流調(diào)節(jié)器。不管是電流調(diào)節(jié)器還是速度調(diào)節(jié)器，如果參考指令值比較大，其積分器就有可能會建立起一個很大的誤差值，并且由于積分器的慣性作用，這個誤差會一直保持較長時間，從而將導(dǎo)致過大的超調(diào)。因此在設(shè)計PI調(diào)節(jié)器時，應(yīng)當(dāng)在積分器的輸出超過限定值時立即關(guān)閉積分作用，以減少過度超調(diào)的影響。

4 測速模塊設(shè)計

基于轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制變頻調(diào)速控制器的關(guān)鍵問題是轉(zhuǎn)子位置及反饋速度的測量。本方案采用增量式光電碼盤及霍爾元件作為位置檢測器件，在上電復(fù)位時由霍爾元件粗略檢測電機轉(zhuǎn)子的初始位置進行軟啟動，當(dāng)碼盤的Z脈沖出現(xiàn)后就可以得到精確的位置信息。位置計數(shù)則按碼盤的2個正交輸出脈沖QEP1和QEP2的4倍頻進行。轉(zhuǎn)速是利用M/T法進行測量的。M/T法是在M法的基礎(chǔ)上吸取T法的優(yōu)點，其測量轉(zhuǎn)速的過程為:在轉(zhuǎn)速輸出脈沖的下降沿啟動定時器(定時長度為Tc)，同時記錄轉(zhuǎn)速輸出脈沖個數(shù)m1和時鐘脈沖個數(shù)m2。測量時間到，先停止對轉(zhuǎn)速輸出脈沖個數(shù)的計數(shù)，待下一個轉(zhuǎn)速輸出脈沖下降沿到來時，再停止對時鐘脈沖計數(shù)，以保證測到整個轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖。所設(shè)的基本測量時間TC可避免T法因轉(zhuǎn)速高導(dǎo)致測量時間減小的缺點;同時讀取對時鐘脈沖的計數(shù)值可避免M法因轉(zhuǎn)速降低導(dǎo)致精度變差的缺點。

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