基于DSP的無(wú)速度傳感器異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

苗儉威，王英

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116023)

0 引言

在大量的不需要精確位置控制和運(yùn)行范圍不包括零速和極低速的應(yīng)用場(chǎng)合，無(wú)速度傳感器異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)替代了裝有位置或速度傳感器的傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)［1］。隨著感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制理論和電機(jī)控制專用CPU的發(fā)展，感應(yīng)電機(jī)高性能無(wú)速度傳感器控制的實(shí)現(xiàn)有了很好的硬件和軟件條件，可以實(shí)現(xiàn)更完整的電機(jī)建模及更先進(jìn)復(fù)雜的觀測(cè)和控制算法［2］。而專門面向電機(jī)控制應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和智能功率模塊(IPM)的快速發(fā)展給高性能的電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了可能。

本文以異步電動(dòng)機(jī)矢量控制基本數(shù)學(xué)方程式為基礎(chǔ)，介紹一種改進(jìn)型電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)方案，設(shè)計(jì)了以DSPTMS320F2812為主控芯片的無(wú)速度傳感器異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)。采用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法能夠準(zhǔn)確的估算轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)運(yùn)行良好，證明了該方案的正確可行性。

1 基于模型參考自適應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)

轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型:

由于電壓模型中含有純積分環(huán)節(jié)，會(huì)產(chǎn)生直流偏置和初始值的問(wèn)題，為了消除純積分器產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移和直流偏置問(wèn)題，可增加一個(gè)高通濾波器環(huán)節(jié)。估算環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為:

由上分析可知，一階高通濾波器與純積分的組合等效為一階慣性環(huán)節(jié)。而這樣的一階慣性環(huán)節(jié)的引入會(huì)使得磁鏈幅值衰減并使相位滯后。如果不進(jìn)行有效補(bǔ)償，將導(dǎo)致磁場(chǎng)定向位置不準(zhǔn)確，使得矢量控制解耦不完全，所以需要進(jìn)行有效補(bǔ)償。綜上所述得到改進(jìn)后的電壓模型如圖1所示［3］。

圖1 改進(jìn)型電壓模型結(jié)構(gòu)框圖

1.2 基于MRAS的轉(zhuǎn)速辨識(shí)

采用模型參考自適應(yīng)的速度推算(MRAS)是利用轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓方程和電流方程分別計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈，將電壓模型的輸出作為轉(zhuǎn)子磁鏈的期望值，電流模型的輸出作為轉(zhuǎn)子磁鏈的推算值來(lái)計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)Popov超穩(wěn)定理論，按MRAS參數(shù)的結(jié)構(gòu)，速度估算子模塊將估算轉(zhuǎn)速取為比例積分形式［4］。自適應(yīng)律為:

圖2 改進(jìn)MRAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件構(gòu)成

本文采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制方案，用 PI自適應(yīng)法來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)速，用改進(jìn)電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈模型估算轉(zhuǎn)子磁鏈，實(shí)現(xiàn)速度、轉(zhuǎn)矩、磁通的三閉環(huán)控制，其中三個(gè)調(diào)節(jié)器ASR、ATR、ApsiR均采用PI控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)原理框圖

由上述的系統(tǒng)原理框圖可設(shè)計(jì)出硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖4 中控制系統(tǒng)的主控芯片采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812，它是TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP芯片，該芯片采用高性能的CMOS技術(shù)，具有150MHZ的高速計(jì)算速度和面向電機(jī)控制的專用外圍設(shè)備，模數(shù)轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)，成本低，可靠性高，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制［5］。三相電壓源逆變器采用三菱公司的智能功率模塊(IPM)PS21265。

(1)隔離驅(qū)動(dòng)電路

DSPTMS320F2812控制芯片輸出的6路PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)需要經(jīng)過(guò)光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路才能控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷，系統(tǒng)選用Avago公司生產(chǎn)的高速驅(qū)動(dòng)光耦合芯片HCPL4504，該驅(qū)動(dòng)芯片包 含GaAsP LED，并通過(guò)光學(xué)耦合到高增益光檢測(cè)器。其中一相的隔離驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 PWM光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路

(2)檢測(cè)電路

圖6 電流檢測(cè)電路

圖7 程序流程圖

電流檢測(cè)電路是本文系統(tǒng)重要組成部分，選用ACS706系列電流傳感器，它基于霍爾效應(yīng)的原理，為雙向線性電流傳感器。由于霍爾元件輸出的是有正有負(fù)的弱電流信號(hào)，因此首先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的電壓調(diào)理得到滿足0～3 V要求的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)跟隨器的隔離和限幅后，最后將檢測(cè)值送至 DSP的 A/D轉(zhuǎn)換器［6-7］，其中一相的電流檢測(cè)電路如圖6所示。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中上位機(jī)為裝有CCS3.1軟件的計(jì)算機(jī)，通過(guò)仿真器與DSP控制面板相連接，通過(guò)RS232進(jìn)行通信。系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，主要包括主程序和定時(shí)器下溢中斷子程序，具體程序流程圖如圖7所示。

由以上分析構(gòu)建DSP控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用型號(hào)DQ10的三相鼠籠式異步電機(jī)，接線方式 Y/A，上位機(jī)采用裝有CCS3.1軟件的計(jì)算機(jī)，通過(guò)仿真器 XDS520與DSP控制面板相連接，通過(guò)RS232總線進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)仿真

仿真中采用的異步電機(jī)的額定參數(shù)如下:額定電壓UN=380 V，額定頻率為fN=50 Hz，定子電阻 RS=0.435 Ω，定子電感 LS=0.071 mH，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.816 Ω，轉(zhuǎn)子電感 Lr=0.071 mH，互感 Lm=0.069 mH。極對(duì)數(shù)np=2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.18 kg·m2。系統(tǒng)仿真時(shí)空載起動(dòng)，給定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，系統(tǒng)運(yùn)行到0.6 s時(shí)，突加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩60 N·m，仿真得到的結(jié)果如圖8圖9所示。

圖8 轉(zhuǎn)速仿真

圖9 轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

圖10 電流仿真結(jié)果

由圖 8(a)、(b)可知，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，在大概0.35 s時(shí)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，0.6 s加載時(shí)轉(zhuǎn)速略有下降但隨即恢復(fù)，穩(wěn)定時(shí)都達(dá)到了給定轉(zhuǎn)速。(c)圖為轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差值，由波形可以看出，誤差值隨時(shí)間減小，最終穩(wěn)定在零值附近，估算轉(zhuǎn)速波形和實(shí)際波形基本相吻合，說(shuō)明跟蹤效果良好。

圖11 定子磁鏈軌跡

圖12 推算轉(zhuǎn)速與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速的比較

圖10 可以看出，0.6 s加載時(shí)，各調(diào)節(jié)器電流均發(fā)生相應(yīng)響應(yīng)，在起動(dòng)過(guò)程中，定子電流基本保持不變，實(shí)現(xiàn)了恒電流起動(dòng)。

圖11所示為定子磁鏈軌跡，由圖可看出在起動(dòng)階段，磁場(chǎng)的建立過(guò)程是比較平滑的，磁鏈呈螺旋形增加，最終達(dá)到穩(wěn)定值。

圖12所示為電機(jī)推算轉(zhuǎn)速與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速在同一坐標(biāo)系下的比較，圖中帶有微小波動(dòng)的是推算轉(zhuǎn)速，相比較平滑的是測(cè)量模塊輸出的轉(zhuǎn)速，由圖可見(jiàn)轉(zhuǎn)速響應(yīng)比較快，由于 PI控制器參數(shù)選擇問(wèn)題，估計(jì)的轉(zhuǎn)速曲線稍微有點(diǎn)波動(dòng)，二者差異較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹一種改進(jìn)型電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)方案，設(shè)計(jì)了以DSPTMS320F2812為主控芯片的無(wú)速度傳感器異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，采用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法能夠準(zhǔn)確的估算轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

［1］H Tajima等(日)異步電動(dòng)機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的速度估算及參數(shù)調(diào)整問(wèn)題和解決方案［J］.變流技術(shù)與電力牽引，2004，27(3):8-12.

［2］李永東，李明才.感應(yīng)電機(jī)高性能無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)——回顧、現(xiàn)狀與展望［J］.電氣傳動(dòng)，2004，46(1):4-10.

［3］許曉峰，許傲然.異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制研究［J］.電力電子技術(shù)，2013，47(6):71-73.

［4］周亞麗.基于MRAS的感應(yīng)電無(wú)速度傳感器矢量控制［J］.微電機(jī)，2008，41(8):3-7.

［5］顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP-基于TMS320X281X［M］.3版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［6］薛易，葉瑰昀.基于DSP的無(wú)速度傳感器交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電氣傳動(dòng)，2010，29(2):76-78.

［7］汪浩洋，邱瑞昌，趙曉紅.基于DSP的異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制［J］.電力電子技術(shù)，2010，44(4):51-54.