基于IRMCF341的無位置傳感器異步電機(jī)控制系統(tǒng)的研究

項(xiàng) 劍，張浩然

（浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004）

引言

異步電機(jī)相對(duì)于永磁同步電機(jī)具有機(jī)械堅(jiān)固，制造簡單，成本低，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，可靠性高，容易做到高轉(zhuǎn)速、大容量等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來在國防、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)相應(yīng)的電機(jī)控制器件的需求也與日俱增。

控制異步電機(jī)最常用的算法，是基于上世紀(jì)70年代初德國學(xué)者提出的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制思想的算法，在該算法中，除了要進(jìn)行多次坐標(biāo)變換與反變換外，還要進(jìn)行電流以及速度的閉環(huán)控制，算法實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜而且實(shí)時(shí)性要求比較高，傳統(tǒng)的工程應(yīng)用中一般采用 DSP技術(shù)以軟件的方式實(shí)現(xiàn)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較靈活，但系統(tǒng)的開發(fā)周期比較長，開發(fā)人員一般要深入地了解諸多相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)（如：功率電子技術(shù)，電機(jī)特性及控制、軟件算法、通訊以及硬件集成等），而且由于算法占用的處理器時(shí)間比較多，在某些情況下甚至不得不采用雙DSP處理器，這就使得系統(tǒng)的整體性價(jià)比下降；另外，軟件方式的通用性也存在問題，不同廠家的產(chǎn)品甚至同一產(chǎn)家的不同系列的DSP指令系統(tǒng)都不一樣，這就使得用戶的代碼一般不可重用。這諸多的因素使得開發(fā)高性能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為一件復(fù)雜而且困難的事情，而節(jié)能的需要又迫使我們不得不進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)。

目前高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一是逐漸擺脫軟件的束縛，向純硬件或半硬半軟的方向發(fā)展，即用基于FPGA或ASIC的方式。在這種背景下，主要針對(duì)無傳感器定位控制的永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)而設(shè)計(jì)的高性能集成芯片IRMCF341應(yīng)運(yùn)而生。IRMCK34x系列電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC就是美國國際整流器公司推出的基于純硬件控制的電機(jī)閉環(huán)控制ASIC。本文采用國際整流器公司（IR，International Rectifier）推出的IRMCF341電機(jī)控制芯片來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，對(duì)異步電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和開發(fā)。

1 無位置傳感器異步電機(jī)控制

無位置傳感器的矢量控制方式是基于磁場(chǎng)定向控制理論發(fā)展而來的，它的研究始于20 世紀(jì)80年代末。近年來，國內(nèi)外的許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)異步電機(jī)的無位置傳感器控制技術(shù)進(jìn)行了更為深入的研究。無位置傳感器異步電機(jī)控制的關(guān)鍵在于：如何根據(jù)測(cè)量電機(jī)電流或電壓信號(hào)得到轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)。目前無位置傳感器電機(jī)控制主要有以下幾種方法：磁鏈位置估計(jì)法、反電動(dòng)勢(shì)法、模型參考位置估計(jì)法、基于狀態(tài)觀測(cè)器的位置估算、基于卡爾曼濾波的無傳感器方法。

本文采用的IRMCF341芯片是根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)估算轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子位置估算包含磁鏈觀測(cè)（flux estimator）和角度-頻率生成（Angle-Frequency generator）。電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)產(chǎn)生的勵(lì)磁分量通過磁鏈觀測(cè)器計(jì)算。磁鏈觀測(cè)器的基本原理就是對(duì)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)電壓積分。角度-頻率生成器則是通過磁鏈輸入計(jì)算位置和頻率，最終得到轉(zhuǎn)子角度。其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示首先，IRMCF341從單電阻采樣上獲得直流母線電流信號(hào)，緊接著將該電流信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，得到U、V、W三相電流，然后經(jīng)過Clark變換（3相到2相），電流解耦，矢量旋轉(zhuǎn)（正向和反向）等，最終得到空間矢量控制算法所需的量。由于此過程的操作IRMCF341是使用模塊化的MatLab/SimulinK環(huán)境下mdl文件來實(shí)現(xiàn)，因此我們所要完成的是對(duì)這一過程中涉及的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可，這一機(jī)制也極大方便了用戶的開發(fā)。

圖1

2 IRMCF341芯片功能簡介

IRMCF300系列產(chǎn)品是國際整流器公司推出的集成電路器件，主要針對(duì)應(yīng)用于電機(jī)控制的逆變器的單芯片解決方案。該系列包括 IRMCF312, IRMCF311,IRMCF343, IRMCF341和IRMCF371。IRMCF341芯片具有一大特點(diǎn)：在一塊芯片上集成了兩個(gè)內(nèi)核，分別是用于無位置傳感器電機(jī)控制的MCE（電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制引擎）核和高速8位增強(qiáng)型微處理器8051核。其原理框圖如圖2所示。

圖2

電機(jī)控制引擎是硬件模塊的集合——這些模塊是完成電機(jī)高性能無傳感器正弦波控制所必須的。電機(jī)控制引擎由電機(jī)接口模塊（Motion peripherals）和控制模塊（Control Blocks）組成。電機(jī)接口模塊是用于處理模擬和數(shù)字信號(hào)，以及與外部的接口——IRMCF341器件外部。除了控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的 MCE核之外，IRMCF341還具有一個(gè)增強(qiáng)型的8051核。IRMCF341 8051微處理器其指令設(shè)置和基本操作與標(biāo)準(zhǔn)的因特爾8051處理器一致，而且還增加了許多外設(shè)和專用功能。

3 系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略

3.1 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)采用交-直-交變壓變頻電路。主電路由整流模塊、逆變模塊、驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流檢測(cè)電路及其他外圍電路組成。控制電路以IRMCF341芯片為核心，配合外圍電路構(gòu)成無位置傳感器異步電機(jī)控制電路。在該系統(tǒng)中，控制核心IRMCF341通過A/D口接受來自單電阻電流采樣到的電流信息，此電流經(jīng) RC電路轉(zhuǎn)換成適合的電壓信號(hào)輸給IRMCF341的A/D口。IR公司的IRMCx300系列產(chǎn)品擁有至少一個(gè)通用模擬輸入和一個(gè)用于直流母線檢測(cè)的模擬輸入。每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為 2.0微秒。與傳統(tǒng)微處理器的A/D轉(zhuǎn)換不同，轉(zhuǎn)換過程、采樣/保持時(shí)序和多路轉(zhuǎn)換器由內(nèi)部的硬件邏輯自動(dòng)控制。這是由于事實(shí)上針對(duì)單電阻電流反饋有一路專門的模擬信號(hào)輸入，它要求特殊的采樣/保持時(shí)序。

圖3

3.2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

由于運(yùn)動(dòng)控制算法的圖形化，使軟件編程更易于操作，使用 MCE編譯器，可以使設(shè)計(jì)人員利用MATLAB’s Simulink圖形用戶接口方便地實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)計(jì)。電機(jī)控制模塊由國際整流器公司以Simulink庫的方式提供，他們描述了IRMCF341的可用功能。

MCE開發(fā)環(huán)境包含下面幾個(gè)部分：

(1)圖形化的 Simulink控制模塊庫，用于設(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)。

(2)MCE編譯器。用于分析Simulink設(shè)計(jì)，并生成相應(yīng)的IRMCx31x MCE處理器的可執(zhí)行文件。

(3)MCEDesigner，為IRMCx3xx提供圖形化的用戶接口，以便下載 MCE執(zhí)行文件，控制 MCE操作，分析系統(tǒng)功能和特性。

MCEDesigner是支持IRMCF341在線仿真軟件，通過該軟件，可以直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行直觀化的操作，包括程序的初始化、保護(hù)電路的自檢、整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)配置、正反轉(zhuǎn)設(shè)定子程序、判斷電機(jī)起動(dòng)和停止、運(yùn)行時(shí)升降速等。

MCE的設(shè)計(jì)層次格式如圖4所示。

圖4

3.3 系統(tǒng)矢量控制方法的實(shí)現(xiàn)

本文采用的是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制算法，該算法已包含在 MCE庫內(nèi)，即定子繞組在α～β坐標(biāo)系的空間矢量定義為：

對(duì)于三相平衡系統(tǒng)，零序電流分量為零，因此可得

可以得到由靜止坐標(biāo)到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換（Park變換）方程

由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到靜止坐標(biāo)的變換（Park逆變換）方程

4 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)在 750W 無刷異步電機(jī)上實(shí)現(xiàn)，輸入電壓380V～400V三相交流電，額定電流2.1A，驅(qū)動(dòng)芯片采用 IR2233，逆變電路 IGBT采用西門康SK15DGDL126ET，板上弱電電壓由380V交流電整流后經(jīng)開關(guān)電源提供。

圖5、圖 6、圖 7是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集波形，由MCEDesigner提供的示波器功能采集。圖5是采集反饋電流后進(jìn)行重構(gòu)的V相、W相波形，由圖中可看出其非常近似正弦波，這是整套算法的第一步，也是關(guān)鍵一步，只有做好這一步才能保證無位置傳感器電機(jī)控制的精確性。圖6是設(shè)定速度與電機(jī)實(shí)際速度波形，從圖中可以看出，電機(jī)波形一開始有一定的上沖（這是由于啟動(dòng)階段輸入較大的電流，更改比例積分值可將這個(gè)過沖緩解）經(jīng)過一個(gè)短暫的時(shí)間，速度穩(wěn)定在設(shè)定值。圖7是不斷改變?cè)O(shè)定速度值與電機(jī)實(shí)際跟蹤的波形，可以看出，當(dāng)設(shè)定速度值發(fā)生改變的時(shí)，電機(jī)能夠馬上作出反應(yīng)，改變當(dāng)前值以達(dá)到設(shè)定值。

圖5

5 結(jié)語

本文采用了IR公司的雙核芯片IRMCF341與西門康公司的 IGBT組成的控制系統(tǒng)作為硬件基礎(chǔ)，在只采樣負(fù)母線電流的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)無位置傳感器的控制。此方法簡化了電機(jī)控制過程，大大縮短了開發(fā)周期，為節(jié)約開發(fā)成本，并為最終設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品提供了條件。

圖6

圖7

[1]李永東, 等. 交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

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