基于DSP異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真與實驗研究

江宏玲，周成，戴新榮，謝芳

（1.安徽淮委水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088；

2.安徽國際商務(wù)職業(yè)學(xué)院，信息服務(wù)系，安徽 合肥 231131；

3.安徽大學(xué)工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230601）

基于DSP異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真與實驗研究

江宏玲1，周成2，戴新榮1，謝芳3

（1.安徽淮委水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088；

2.安徽國際商務(wù)職業(yè)學(xué)院，信息服務(wù)系，安徽 合肥 231131；

3.安徽大學(xué)工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230601）

對磁場定向控制的理論進行了分析，選擇基于轉(zhuǎn)差率的間接矢量控制方案，仿真和探討了影響解耦控制的因素。使用Matlab/Simulink對解耦效果進行了仿真解析，仿真結(jié)果驗證了該方案具有較好的控制性能。在理論分析和仿真驗證的基礎(chǔ)上，搭建了基于TM320F28335型DSP的硬件系統(tǒng)實驗平臺，并在11 kW電機拖動實驗平臺上進行了相應(yīng)實驗。實驗結(jié)果表明該方案實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和磁通解耦控制，控制系統(tǒng)簡單易行、動態(tài)響應(yīng)快且超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高。

異步電機；轉(zhuǎn)子磁場定向；轉(zhuǎn)差率

異步電動機雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、大容量、高轉(zhuǎn)速與維護方便等眾多優(yōu)點，但其多變量之間的強耦合性與非線性導(dǎo)致系統(tǒng)在高性能上的控制困難。

目前矢量控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，其核心思想是利用坐標(biāo)變換來計算轉(zhuǎn)差或轉(zhuǎn)子磁鏈角從而實現(xiàn)解耦，包括定轉(zhuǎn)子磁鏈與氣隙磁鏈定向方式以及轉(zhuǎn)差矢量控制方式等［1-3］。

磁場定向控制是將定子電流分解成與轉(zhuǎn)子磁場同向、正交的勵磁與轉(zhuǎn)矩2個分量進行分別獨立完全解耦控制，包括直接磁場與間接磁場定向控制2種方法。

直接磁場定向有基于電壓和電流模型2種方法，都需要獲得反饋磁鏈?zhǔn)噶啃盘?，但在低頻時由于電壓信號小、直流偏移量引起的積分誤差累積以及電機參數(shù)的變化使轉(zhuǎn)子磁鏈的估計精度降低等因素，使基于電壓模型的控制很難取得良好的控制性能。而后者雖然低速時估算磁鏈精度較高，但其高速性能較差。

間接磁場定向控制又稱轉(zhuǎn)差頻率矢量控制或磁場前饋控制，可使轉(zhuǎn)矩、勵磁控制完全解耦且容易實現(xiàn)，有效消除轉(zhuǎn)矩電流在動態(tài)過程中的波動，從而改善了系統(tǒng)動、靜態(tài)性能，其控制方法簡單易行、控制精度高及高可靠性使其在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用［4］，因此本文采用了間接磁場定向控制方式。

1 異步電機數(shù)學(xué)模型

異步電機是一種多輸入輸出非線性強耦合系統(tǒng)，是通過控制轉(zhuǎn)矩來控制電機的，其轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)方程為

式中：K為與電機構(gòu)造有關(guān)的常數(shù)；Φm為氣隙磁通有效值；I2cosφ2為轉(zhuǎn)子電流的有功分量。

由式（1）可知，異步電機的穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流并無直接關(guān)系，并且其三相定子電流要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場和電磁轉(zhuǎn)矩，2個分量很難分開，而且與電機本身及其負(fù)載關(guān)聯(lián)導(dǎo)致其動態(tài)過程十分復(fù)雜。因此，為了改變轉(zhuǎn)矩方程的非線性，即像控制他勵直流電機一樣獲得較好的動穩(wěn)態(tài)性能，如何實現(xiàn)2個分量的解耦，即各軸分量獨立控制成為關(guān)鍵問題。

圖1為異步電機相量圖。

圖1 三相異步電機相量圖Fig.1 Phasor diagram of three phase asynchronous motor

為了實現(xiàn)磁場定向控制，我們先將A/B/C軸系下的電機方程轉(zhuǎn)化為任意M/T旋轉(zhuǎn)軸系下有：

式中：u,i分別為電壓和電流；L,R,ω,Ψ分別為電感、電阻、角速度和磁鏈；下標(biāo)s,r,m,t分別為定子、轉(zhuǎn)子、互感磁場量以及轉(zhuǎn)矩量；下標(biāo)M,T分別為M/T軸系下M軸與T軸上的分量；p為微分算子，p=d/dt；ωf為轉(zhuǎn)差角速度，為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)；ωs為轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康碾娊撬俣?。在動態(tài)情況下，ωs和ωf均為變量，在穩(wěn)態(tài)運行時ωs和ωf為常值。

式（2）、式（3）為異步電機在任意M/T軸系內(nèi)的定轉(zhuǎn)子磁鏈方程與定轉(zhuǎn)子電壓方程。取M軸與轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr一致，使Ψt=0（T軸分量為0），即所謂的基于轉(zhuǎn)子磁場定向控制，將方程整理為

式中：p0為電機極對數(shù)；σ為定子瞬間電感因數(shù)；δr為轉(zhuǎn)子漏磁因數(shù)，。

由式（4）可知，轉(zhuǎn)矩Te與T軸上的定子電流分量iT成正比，磁鏈Ψr僅與M 軸上的定子電流分量iM成正比。

2 間接磁場定向控制系統(tǒng)

2.1 間接磁場定向控制原理

異步電機由于其復(fù)雜的磁鏈關(guān)系使其數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，要利用Clark（3S/2S）與Park（2S/2R）變換來簡化并實現(xiàn)A/B/C三相靜止坐標(biāo)系到兩相同步M/T旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的等效。

矢量控制的核心思想正是利用功率和磁動勢不變的原則，通過坐標(biāo)變換，將非線性強耦合的異步電機時變系統(tǒng)進行解耦控制，通過對M/T坐標(biāo)系下由Park變換將定子電流按轉(zhuǎn)子磁場定向得到IsM，IsT2個互相垂直，彼此獨立的直流分量進行分別控制來實現(xiàn)對磁通（IsM）及轉(zhuǎn)矩（IsT）的控制［5-6］。因此，磁場定向是矢量控制中必不可少的，而磁場定向可分為直接磁場定向和間接磁場定向2種方式。直接磁場定向需要檢測和估算磁場來得到定轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置，但直接檢測磁場實現(xiàn)困難，一般采用磁鏈觀測法來估算轉(zhuǎn)子磁鏈位置。間接磁場定向是在轉(zhuǎn)子磁鏈大小不變的情況下將測到的定子電流、旋轉(zhuǎn)磁場角速度利用M/T軸系上的數(shù)學(xué)模型運算來實現(xiàn)間接磁場定向，無需得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康膶嶋H位置，實際上是利用控制轉(zhuǎn)差頻率來完成的［7-9］。因為指令值確定轉(zhuǎn)子磁鏈（上標(biāo)“*”為對應(yīng)變量給定值），而在磁場定向條件下由，可用來作控制Ψr的指令值，由方程：

另外

式中：ωr為實際轉(zhuǎn)速。

參考軸系間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 3個參考軸系間的關(guān)系Fig.2 The relationship between the three reference axis

在圖2中，轉(zhuǎn)子位置θr可通過檢測轉(zhuǎn)子速度ωr獲得，而角度的確定可通過對的積分獲得，M/T軸系下的相位可由θr，確定。圖3所示為間接磁場定向控制系統(tǒng)框圖。

圖3 間接磁場定向系統(tǒng)框圖Fig.3 The block diagram of the indirect field oriented system

通過DSP的全數(shù)字處理來實現(xiàn)SVPWM策略、電流解耦、速度調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)子磁場定向。

2.2 影響間接磁場定向的幾個因素

2.2.1 轉(zhuǎn)子時間常數(shù)對磁場定向和穩(wěn)態(tài)性能的影響

間接磁場定向系統(tǒng)如果無法獲得精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，則會使定向發(fā)生偏差，致使勵磁與轉(zhuǎn)矩電流互相耦合，影響系統(tǒng)性能。通常轉(zhuǎn)子時間常數(shù)發(fā)生變化的主因是由于轉(zhuǎn)子電阻易受溫度以及集膚效應(yīng)的影響，而此參數(shù)的變化對轉(zhuǎn)差頻率控制的間接磁場定向影響較大。假設(shè)M/T坐標(biāo)軸系已沿轉(zhuǎn)子磁場定向，實參Rr,Lr,Lm與給定值對應(yīng)，可得矢量圖如圖4所示。

圖4 磁場定向破壞前后定、轉(zhuǎn)子電流矢量圖Fig.4 Stator and rotor current vector before and after magnetic field oriented destruction

在M′-T′軸系上將定子電流分解，得到真正的iM和iT。實際的Ψr要大于，將使電動機過勵，引起磁路飽和，功率因數(shù)下降，損耗增大和溫升變高。

2.2.2 磁路飽和對磁場定向和系統(tǒng)性能的影響

在磁場定向后，穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩表示為

在磁路不飽和情況下，當(dāng)iM和iT相等時，每安培定子電流is產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩值最大；在磁路飽和的情況下，此時的轉(zhuǎn)子磁通受飽和極限的制約，即使iT增大時，iM按比例增大也不可能有這種理想效果。在實際運行中，電機在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運行時，設(shè)定Ψr為常值，Ψr值確定的依據(jù)是使主磁路達到適度程度的飽和，這樣可以充分利用磁性材料，獲得盡可能高的轉(zhuǎn)矩/電流比。

3 仿真分析

利用Matalab對轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)進行仿真實驗［10-12］。

使用Matalab自帶電機模型，三相感應(yīng)電動機的參數(shù)如下：功率 Pn=15 kW,線電壓UAB=400 V,定子相繞組電阻Rs=0.214 7 Ω,轉(zhuǎn)子相繞組電阻 Rr=0.220 5 Ω,定子繞組自感Ls=0.065 181 H ，轉(zhuǎn)子繞組自感Lr=0.065 181 H,互感Lm=0.064 19 H,轉(zhuǎn)動慣量J=0.102 kg·m2,額定轉(zhuǎn)速 n=1 460 r/min,極對數(shù)p0=2。使系統(tǒng)在空載情況下啟動然后當(dāng)進入穩(wěn)態(tài)后，在t=4 s時施加100 N·m的負(fù)載。仿真得到的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線Fig.5 Speed and torque response curves

Tr變化對系統(tǒng)性能的影響（Tr＜）如圖6、圖7所示。

圖6 Tr變化對轉(zhuǎn)子磁鏈的影響Fig.6 Effect ofTrchange on rotor flux

圖7 Tr變化對定子電流的影響Fig.7 Effect ofTrchange on stator current

分析圖6與圖7的仿真結(jié)果可知，在轉(zhuǎn)子磁場定向準(zhǔn)確的條件下，系統(tǒng)具有較好的調(diào)速性能。當(dāng)轉(zhuǎn)子參數(shù)發(fā)生漂移時（若Tr＜），由于轉(zhuǎn)子磁場定向不準(zhǔn)確，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)輸出的電流并非為純轉(zhuǎn)矩分量電流，其中一部分為勵磁電流。這樣轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出值會不斷增大，可能會達到系統(tǒng)的額定值，進而導(dǎo)致帶載能力下降，轉(zhuǎn)速無法穩(wěn)定等問題。

4 實驗結(jié)果與討論

根據(jù)以上分析，為驗證間接磁場定向控制算法的實際控制效果，實驗室用英飛凌公司的IGBT（型號FF900R12IP4D）搭建逆變橋，主控芯片采用DSP28335，驅(qū)動信號經(jīng)4245電平轉(zhuǎn)換后再經(jīng)IXDP630/631（死區(qū)時間控制器）產(chǎn)生dead-time后再反相后送給驅(qū)動電路。IXDP630/631還兼有保護功能，E_R，E_S，E_T分別封鎖單相脈沖，OUT_E同時封鎖三相脈沖。在11 kW拖動系統(tǒng)中進行實驗，原動機為15 kW異步電機，2對級，額定轉(zhuǎn)速1 460 r/min，額定轉(zhuǎn)矩98 N·m，負(fù)載為11 kW雙饋發(fā)電機，3對級，額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min。系統(tǒng)實驗平臺框圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實驗平臺框圖Fig.8 Block diagram of system experiment platform

實驗中，系統(tǒng)空載啟動后原動機拖動到1 200 r/min后，在T=4 s時加載，雙饋發(fā)電機并網(wǎng)，雙饋電機給定功率11 kW，此時異步電機帶載轉(zhuǎn)矩約為90 N·m，基本接近額定轉(zhuǎn)矩值。在T=4 s的加載瞬間轉(zhuǎn)速有所下降，隨后電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在初始值1 200 r/min，在T=4 s的加載瞬間，定子電流由于轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)作用相應(yīng)增加，虛擬示波器實時波形如圖9所示。

圖9 電機轉(zhuǎn)速及定子電流波形Fig.9 Motor speed and stator current waveform

當(dāng)轉(zhuǎn)子時間常數(shù)偏差較大時（若Tr＜），從圖10實驗波形中可以看到，在負(fù)載逐漸加大后電機端電壓會持續(xù)下降，這是因為勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流解耦不完全而無法維持恒定的轉(zhuǎn)子磁場。隨著速度環(huán)的調(diào)節(jié)作用，使得定子電流逐漸增大到額定值，此時由于轉(zhuǎn)速下降過多雙饋電機脫網(wǎng)，負(fù)載撤出后轉(zhuǎn)速又開始逐漸穩(wěn)定在空載轉(zhuǎn)速。

圖10 Tr變化時電機帶載波形Fig.10 Motor waveforms with load when theTrchanges

5 結(jié)論

在研究基于間接磁場定向的異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，通過理論分析和仿真驗證了該控制算法的可行性。實驗結(jié)果驗證了基于間接磁場定向的異步電機調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)了電機的解耦控制，系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)精度高和良好的轉(zhuǎn)矩控制性能，調(diào)速性能媲美直流電機，該方法簡單易行，對一般的調(diào)速場合均能適用。

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System Simulation and Experimental Research Based on DSP of Asynchronous Motor Vector Control

JIANG Hongling1，ZHOU Cheng2，DAI Xinrong1，XIE Fang3
（1.Anhui&Huaihe River Institute of Hydraulic Research，Hefei 230088，Anhui，China；2.Information Service Department，Anhui Institute of International Business，Hefei 231131，Anhui，China；3.Collaborative Innovative Center of Industrial Energy-saving and Power Quality Control，Anhui University，Hefei 230601，Anhui，China）

The theory of field oriented control was analyzed，the indirect vector control scheme based on slip frequency was selected and the factors affecting the decoupling control were simulated and discussed.Decoupling effect was simulated using Matlab/Simulink，and the results show that the control performance is better.Based on the oretical analysis and simulation verification，a TM320F28335 hardware platform was built，the corresponding experiment was carried out on the 11 kW motor drive experiment platform.Experiments show that this method can realize the decoupling control of torque and flux，the system is simple and the response is fast and accurate.

asynchronous motors；rotor field orientation；slip

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20170603

2016-09-23

修改稿日期：2016-11-14

安徽大學(xué)博士啟動經(jīng)費（J01001961）；安徽省教育廳自然科學(xué)基金重點項目（KJ2017A861）；

國家青年自然科學(xué)基金項目（51607002）

江宏玲（1987-），女，工學(xué)碩士，工程師，Email：zxc_241@126.com