基于TMS320F2812的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)

陳順中，談龍成，王秋良

（中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190）

基于TMS320F2812的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)

陳順中，談龍成，王秋良

（中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190）

傳統(tǒng)的矢量控制方法基于異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，控制性能受電機(jī)的參數(shù)影響很大。本文結(jié)合異步電機(jī)的特性和要求在控制策略中設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速、電流、磁鏈等多個(gè)閉環(huán)，采用了對(duì)參數(shù)依賴性很小的偏差電壓解耦方式，并結(jié)合電機(jī)的電壓模型和電流模型對(duì)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算進(jìn)行了補(bǔ)償和修正，有效地降低參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響。DSP芯片TMS320F2812有著強(qiáng)大的運(yùn)算能力和優(yōu)良的控制性能，基于該芯片的硬件系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了控制方案，實(shí)驗(yàn)表明該控制系統(tǒng)精度高，實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都較好。

偏差電壓解耦；矢量控制；轉(zhuǎn)子磁鏈；TMS320F2812

1 引言

矢量控制的本質(zhì)就是把交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)來控制，通過坐標(biāo)變換把定子電流矢量分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量。由于兩個(gè)分量是解耦的，可以分別加以控制，從而能取得與直流電機(jī)相媲美的控制性能。但矢量控制算法中大量使用了電機(jī)參數(shù)，而在運(yùn)行中電機(jī)參數(shù)變化很大（如轉(zhuǎn)子電阻最大變化可達(dá)50%），極大地影響了控制系統(tǒng)的性能。如何消除參數(shù)的變化對(duì)控制性能造成的影響成為矢量控制中的一個(gè)重要課題。

為了解決這一問題，很多學(xué)者在電機(jī)參數(shù)在線辨識(shí)方面做了大量的工作。文獻(xiàn)[1]～[4]介紹了幾種常見的電機(jī)參數(shù)在線辨識(shí)方法，主要有擴(kuò)張卡爾曼濾波法（EKF）、模型參考自適應(yīng)法(MRAC)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法(ANN)等等。但這些方法算法復(fù)雜，需要大量實(shí)時(shí)計(jì)算，而且很多都包含了微分運(yùn)算環(huán)節(jié)，容易產(chǎn)生運(yùn)算結(jié)果的“毛刺”現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5]在控制環(huán)節(jié)中加入了相角閉環(huán)來補(bǔ)償由于參數(shù)變化引起的轉(zhuǎn)子磁鏈誤差，但其依據(jù)電機(jī)的電流模型，在低速時(shí)補(bǔ)償效果不佳。

本文根據(jù)閉環(huán)對(duì)參數(shù)變化具有抵抗作用，在控制策略中設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速、電流、磁鏈等多個(gè)閉環(huán)，電壓解耦環(huán)節(jié)采用了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)依賴性很小的偏差解耦方式，并且結(jié)合了電機(jī)的電壓模型和電流模型對(duì)控制中的核心變量（轉(zhuǎn)子磁鏈）進(jìn)行了補(bǔ)償和修正。繞過復(fù)雜的參數(shù)辨識(shí)環(huán)節(jié)，大大降低了電機(jī)參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)的影響。采用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320F2812實(shí)現(xiàn)了該矢量控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 轉(zhuǎn)子磁場直接定向矢量控制原理

矢量控制有定子磁場、氣隙磁場和轉(zhuǎn)子磁場3種磁場定向方式。這里采用轉(zhuǎn)子磁場定向，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的解耦。通過3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換可以得到異步電機(jī)在以轉(zhuǎn)子磁鏈為d軸，與之垂直且超前π/2方向?yàn)閝軸的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型[6,7]：

式中：L，R，w，ψ—— 電感、電阻、角速度和磁鏈；

下標(biāo)s，r，m，d，q——定子、轉(zhuǎn)子，磁場量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸和q軸分量；

Tr，Te，p—— 轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩，微分算子；

δ——定子電感因數(shù)，δ=1-L2m/LrLs；

δr—— 轉(zhuǎn)子漏磁因數(shù)，δr=Lrl/Lm。

實(shí)際控制中引入PI調(diào)節(jié)器，繞開參數(shù)對(duì)電流進(jìn)行有效控制。PI調(diào)節(jié)器具體算法如下：

但從式（7）和式（8）可以看出，d 軸和q軸之間存在耦合。要消除交叉耦合量的影響必須對(duì)d、q軸電壓進(jìn)行解耦。目前，學(xué)者共提出3種解耦方法：反饋解耦、前饋解耦、偏差解耦[8]。本文采用偏差解耦的方法，通過電流給定信號(hào)與反饋信號(hào)的差值進(jìn)行PI調(diào)解以生成耦合量：

將PI調(diào)節(jié)引入到解耦電壓項(xiàng)的計(jì)算中，不僅保證了高速運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)跟隨給定變化的調(diào)節(jié)能力和快速響應(yīng)給定的變化，更重要是在電機(jī)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子電感的變化非常大，偏差解耦避開了這兩個(gè)參數(shù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的抵抗能力。

3 對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算與控制的改進(jìn)

在矢量控制中，轉(zhuǎn)子磁鏈ψr和磁場定向角θs都是實(shí)際值，但這兩個(gè)量是難以直接測(cè)量的，只能采用觀測(cè)值或模型計(jì)算。傳統(tǒng)的觀測(cè)器所依據(jù)的電機(jī)模型方程為（4）～（6）。從式中可以看出，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器依賴于電機(jī)參數(shù)的正確性，受參數(shù)變化影響很大。為了解決這個(gè)問題很多學(xué)者在電機(jī)參數(shù)在線辨識(shí)方面進(jìn)行了大量的研究工作。這里對(duì)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算和控制進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的轉(zhuǎn)子控制方法，從而繞過參數(shù)在線辨識(shí)，使系統(tǒng)在運(yùn)行中不受參數(shù)變化的影響[9]。

如圖1所示，在理想電機(jī)模型中，令d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈完全重合，此時(shí)有ψr=ψrd， ψrq=0，磁鏈和轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)完全解耦。但實(shí)際運(yùn)行中，由于電機(jī)參數(shù)的變化間接導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈ψr偏離d軸，假設(shè)偏至d′軸，則與理想模型中的d 軸有一偏角△θ；磁鏈與轉(zhuǎn)矩之間存在耦合關(guān)系,無法通過定子電流中的磁鏈分量和轉(zhuǎn)矩分量實(shí)現(xiàn)分別獨(dú)立控制，若在控制系統(tǒng)中，強(qiáng)迫△θ為零，則非完全解耦問題便得以解決。由圖1可得：

可以解得：

上面的變量中isd，isq可由傳統(tǒng)的坐標(biāo)變換求得。sdi′，sqi′可通過實(shí)測(cè)的電流、電壓值在α－β坐標(biāo)系中算得。電機(jī)在α－β坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可由下列方程表示：

圖1 異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈非完全解耦矢量圖

結(jié)合圖2的矢量坐標(biāo)可推導(dǎo)出：

式中：is——定子電流的幅值；

則

通過上面方程計(jì)算出△θ，再經(jīng)過一個(gè)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后將所得的值補(bǔ)償?shù)溅譺給定值上來對(duì)PWM逆變器的輸入電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使△θ值等于0，從而使d’軸與理想模型中的d軸重合，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩完全解耦。

4 系統(tǒng)控制方案

偏差電壓解耦改進(jìn)型矢量控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)由一個(gè)速度閉環(huán)、一個(gè)磁鏈閉環(huán)、 兩個(gè)電流閉環(huán)組成。

圖2 偏差電壓解耦改進(jìn)型矢量控制原理圖

5 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)中采用TI公司生產(chǎn)的高性能數(shù)字處理芯片（DSP）TMS320F2812，該芯片是在F240X的基礎(chǔ)上開發(fā)的32位定點(diǎn)處理器，主頻高達(dá)150MHz，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，完全能勝任本文控制方案中的復(fù)雜算法。芯片內(nèi)置了兩個(gè)12位的A/D采樣模塊，共16個(gè)通道，為采集電機(jī)運(yùn)行中的各種信號(hào)提供了方便。另外TMS320F2812還具有優(yōu)良的控制能力，是一款用于電機(jī)數(shù)字控制的專用芯片，其最大特色在于內(nèi)置了兩個(gè)功能強(qiáng)大的事件管理器，其完備的功能，使得TMS320F2812幾乎可以實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)的控制[10]。圖3以TMS320F2812為核心的控制系統(tǒng)示意圖。

本文的矢量控制方案中包含大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，在編程時(shí)單用匯編語言來實(shí)現(xiàn)不僅麻煩、容易出錯(cuò)，而且程序的可讀性和可移植性也較差，這將延長系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間并且不利于系統(tǒng)的維護(hù)。TMS320F2812提供了C/C++語言編譯器，可用C語言進(jìn)行DSP系統(tǒng)的開發(fā)，大大提高了開發(fā)的效率。本系統(tǒng)中DSP控制軟件采用C語言和匯編語言混合編程的方式，匯編語言程序主要完成定時(shí)器控制、A/D采樣、測(cè)速等工作，C語言程序主要完成矢量控制算法、SVPWM控制算法。主程序流程圖如圖4所示、圖5為定時(shí)器下溢中斷子程序。

圖3 控制系統(tǒng)硬件示意圖

圖4 主程序流程圖

圖5 定時(shí)器下溢中斷子程序

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)本文設(shè)計(jì)的矢量控制方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中使用的異步交流電機(jī)參數(shù)為：額定電壓Urms=460V，irms=375A，額定頻率fn=50Hz，定子電阻Rs=0.015Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.01Ω，定子電感Ls=53.25mH，轉(zhuǎn)子電感Lr=42.1mH，互感Lm=38.0mH，磁極對(duì)數(shù)P=1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8～圖10。

從圖6～8中可以看出，電機(jī)啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)矩很快達(dá)到最大值，然后幾乎保持恒定，說明電機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，而且轉(zhuǎn)子磁鏈很快建立然后保持恒定，說明控制方案中很好實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的解耦。電機(jī)轉(zhuǎn)速在啟動(dòng)過程中的超調(diào)量和波動(dòng)都很小。圖9說明電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。從圖10可以看出，電機(jī)在帶載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓和電流波形較為理想，波形中的“毛刺”和畸變都很小，控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)態(tài)性能。

圖6 電機(jī)起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速波形

圖7 電機(jī)起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)矩波形

圖8 電機(jī)起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)子磁鏈波形

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速隨給定速度響應(yīng)波形

圖10 帶載2400r/min時(shí)電機(jī)相電壓和電流波形

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的多閉環(huán)偏差電壓解耦矢量控制方案有較高的控制精度，實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。DSP芯片TMS320F2812具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，非常適合復(fù)雜的電機(jī)控制方案。其豐富的片內(nèi)外資源，大大減少了系統(tǒng)的外圍電路，使硬件系統(tǒng)更加緊湊、可靠。

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Vector Control System for Asynchronous Motor Base on TMS320F2812

CHEN Shun-zhong, TAN Long-cheng, WANG Qiu-liang
(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Traditional vector control is based on steady-state model of asynchronous motor. The performance of the control system is affected greatly by motor parameters. Combining with the speciality of asynchronous motor, a number of closed loop of the rotational speed, current, and flux are designed in control strategy. Deviation voltage decoupling which depends little on parameters is adopted. Conventional calculation of rotor flux is compensated and corrected. This system effectively reduces the bad effect of the parameters variation. DSP chip TMS320F2812 has powerful operation ability and excellent control capability. The hardware system based on this chip well implements this control scheme. Experimentation indicates that this control system has the advantages of high precision, good real-time characteristics and dynamic response.

deviation voltage decoupling; vector control; rotor flux; TMS320F2812

TM346+.2

A

1000-3983(2010)01-0032-05

2008-10-10

陳順中（1982-），碩士研究生，現(xiàn)從事電力電子與電力傳動(dòng)研究。