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基于DSP的高性能異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計

時間:2008-11-05 13:16:00來源:zhangting

導(dǎo)語:?作為交流異步電機(jī)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。
作為交流異步電機(jī)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。矢量控制系統(tǒng)中,磁鏈的觀測精度直接影響到系統(tǒng)控制性能的好壞。在轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流能得到完全解耦[1]。一般而言,轉(zhuǎn)子磁鏈觀測有兩種方法:電流模型法和電壓模型法。磁鏈的電流模型觀測法中需要電機(jī)轉(zhuǎn)子時間常數(shù),而轉(zhuǎn)子時間常數(shù)易受溫度和磁飽和影響。為克服這些缺點,需要對電機(jī)的轉(zhuǎn)子參數(shù)進(jìn)行實時觀測,但這樣將使得系統(tǒng)更加的復(fù)雜。磁鏈的電壓模型觀測法中不含轉(zhuǎn)子參數(shù),受電機(jī)參數(shù)變化的影響較小。矢量控制計算量大,要求具有一定的實時性,從而對控制芯片的運算速度提出了更高的要求。   本文介紹了一種異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,采用了電壓模型觀測器[2]對轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行估計,針對積分環(huán)節(jié)的誤差積累和直流漂移問題,采用了一種帶飽和反饋環(huán)節(jié)的積分器[3]來代替電壓模型觀測器中的純積分環(huán)節(jié)。整個算法在tms320f2812 dsp芯片上實現(xiàn),運算速度快,保證了系統(tǒng)具有很好的實時性。 異步電機(jī)矢量控制策略 矢量控制系統(tǒng)組成 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isd與轉(zhuǎn)矩電流分量isq,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isd和isq進(jìn)行獨立控制,這樣就可以將一臺三相異步電動機(jī)等效為直流電動機(jī)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。   本文所介紹的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)[/align]   系統(tǒng)采用速度外環(huán)控制、電流內(nèi)環(huán)控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)系統(tǒng)運行的同步頻率在電機(jī)額定頻率以下時,激磁電流isd為電機(jī)額定激磁電流,在額定頻率以上時采用弱磁控制。圖1所示系統(tǒng)中采用了3個pi調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速差輸出轉(zhuǎn)矩電流的給定值,轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器和勵磁電流調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流分量。轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器根據(jù)實際電機(jī)輸入電流、電壓觀測出轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和角度。 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測 從控制理論的角度來講,一個控制系統(tǒng)的精度主要取決于反饋信號的精度。所以按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的精度主要取決于磁鏈估計的精度。而由異步電機(jī)的磁鏈電壓觀測方程式
[img=165,37]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf22.jpg[/img](1)
   可知,磁鏈?zhǔn)怯煞措妱觿莘e分得到,為了解決純積分帶來的積分器飽和初值等問題,本系統(tǒng)采用了帶飽和反饋環(huán)節(jié)的積分器[3]來代替純積分環(huán)節(jié),其原理框圖如圖2所示。   磁鏈觀測器的輸出為:
[img=141,39]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf23.jpg[/img](2)
  其中,
[img=131,33]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf24.jpg[/img],[img=14,18]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf25.jpg[/img]為電機(jī)反電動勢;為飽和環(huán)節(jié)的輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)子觀測磁鏈小于等于轉(zhuǎn)子磁鏈的給定值,即[img=57,20]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf26.jpg[/img]時,[img=43,20]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf27.jpg[/img];當(dāng)轉(zhuǎn)子觀測磁鏈大于轉(zhuǎn)子磁鏈的給定值,即[img=57,20]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf28.jpg[/img]時,[img=38,20]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf29.jpg[/img]
。所以當(dāng)[img=57,20]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf30.jpg[/img]時,磁鏈觀測模型為:
[img=47,33]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf31.jpg[/img](3)
  上述觀測模型變?yōu)橐患兎e分環(huán)節(jié),即普通的電壓觀測模型。當(dāng)[img=56,20]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf32.jpg[/img]時,磁鏈觀測模型為:
[img=128,36]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf33.jpg[/img](4)
  由上式可知,當(dāng)合理選取[img=12,16]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf34.jpg[/img]的大小時,即使輸入存在直流偏置信號,轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型輸出也不會出現(xiàn)積分飽和,能有效抑制直流偏移。模型中[img=12,16]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf34.jpg[/img]的選取很關(guān)鍵,[img=12,16]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf34.jpg[/img]選取過大會造成輸出有較大的直流分量,[img=12,16]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf34.jpg[/img]選取過小會造成輸出有較大失真。在本系統(tǒng)中取[img=53,21]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf36.jpg[/img](轉(zhuǎn)子磁鏈給定)。 [font=黑體][color=black]矢量控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn) [/color][/font]  基于tms320f2812的矢量控制方案組成的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
圖2 帶飽和反饋的轉(zhuǎn)子磁鏈電壓觀測模型
圖3 矢量控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖
[align=left]  整個系統(tǒng)為交直交變壓變頻電路,由主回路、控制回路和輔助回路三大部分組成。系統(tǒng)主電路采用的變頻器是交-直-交電壓源型變壓變頻器,由二極管整流器和六管封裝的igbt功率模塊組成逆變器。控制回路采用數(shù)字化設(shè)計,以dsp數(shù)字處理器為核心,來完成矢量控制核心算法、svpwm脈沖的產(chǎn)生、相關(guān)電流的檢測處理、與上位機(jī)的通信等。輔助回路則為開關(guān)電源部分,為系統(tǒng)中各芯片提供所需的電壓。 [font=arial black]dsp tms320f2812 [/font]  整個系統(tǒng)控制策略的實現(xiàn)由dsp(tms320f1812)來實現(xiàn)。它是ti公司專為電機(jī)控制而設(shè)計的定點芯片,其主頻可達(dá)150mhz。片內(nèi)兩個事件管理器(eva和evb)各有2個通用定時器,6個帶可編程死區(qū)功能的pwm輸出通道,2個外部硬件中斷引腳,6個捕獲單元和2個正交編碼單元。這些功能模塊極大的方便了電機(jī)控制過程中的算法運算和數(shù)據(jù)輸出等。 功率驅(qū)動部分   異步電機(jī)的功率驅(qū)動為交-直-交pwm方式,采用pim(power integrated module)功率模塊fp75r12ke3,其中包含有三相不可控整流電路和由6個igbt構(gòu)成的逆變電路以及一個供能耗制動時用的igbt。dsp的pwm1~6腳提供pwm觸發(fā)信號,經(jīng)隔離驅(qū)動電路來控制功率模塊中的igbt的通斷,實現(xiàn)svpwm逆變輸出。同橋臂的兩路pwm觸發(fā)信號采用互鎖輸出,能在硬件上有效防止橋臂的直通現(xiàn)象。同時在相應(yīng)故障引腳輸出故障信號至dsp的pdpinta引腳,通過硬件中斷,封鎖pwm脈沖輸出。 [font=黑體]開關(guān)電源部分[/font]   開關(guān)電源采用單端反激式拓?fù)湓O(shè)計[4],控制芯片采用電流型pwm發(fā)生芯片uc3844,通過調(diào)整諧振電阻和諧振電容使其工作在80khz??刂品绞讲扇‰妷和猸h(huán)控制和峰值電流內(nèi)環(huán)控制模式。tl431和光耦nec2501組成輸出電壓取樣電路,將變壓器的二次側(cè)的輸出電壓反饋給uc3844。uc3844將實際反饋的電壓與其自身產(chǎn)生的2.5v基準(zhǔn)電壓比較,產(chǎn)生輸出電壓誤差,經(jīng)誤差放大器后作為門限電壓,構(gòu)成電壓外環(huán)。同時對開關(guān)變壓器的原邊電流采樣,并將門限電壓和電流采樣電壓一起送到電流比較器,形成電流內(nèi)環(huán)。當(dāng)電流采樣電壓大于門限電壓后,比較器輸出關(guān)斷功率管,并保持這種狀態(tài)直至下一個周期。所以根據(jù)輸出電壓的變化,經(jīng)調(diào)節(jié)后使脈寬調(diào)制器輸出脈沖寬度作相應(yīng)變化,從而以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。[/align][font=黑體][color=black]仿真與實驗結(jié)果 [/color][/font]  本文采用matlab對圖2所示的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型進(jìn)行了仿真,得到的仿真波形如圖4和圖5所示。
圖4 純積分器和帶飽和特性反饋的積分器比較
  其中圖4中曲線1為帶直流偏移的輸入信號,曲線2為普通電壓觀測模型的輸出信號,曲線3為帶飽和反饋的電壓觀測模型的輸出信號。可以看出,因為正的直流偏移的加入,曲線2隨著誤差的累積,出現(xiàn)了明顯的偏差。而曲線3經(jīng)飽和特性環(huán)節(jié)的反饋作用后,曲線的上部僅有一些失真。圖5為采用圖2所示的磁鏈觀測模型所得到的轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測波形,從中可以看出磁鏈信號良好的正弦度。
圖5 轉(zhuǎn)子磁鏈信號李薩育波形
  本系統(tǒng)的實驗是在一臺11kw的y型接法的三相異步電機(jī)上進(jìn)行的,dsp tms320f2812 的時鐘頻率設(shè)為150mhz,svpwm的開關(guān)頻率為5khz,死區(qū)時間為3.2μs。當(dāng)頻率為20hz時的電壓電流波形如圖6所示,頻率為40hz時的電流,電壓波形如圖7所示。
6 20hz時輸出電壓、電流波形
圖7 40hz時輸出電壓、電流波形
[font=黑體][color=black][b]結(jié)語 [/b][/color][/font]  本文詳細(xì)介紹了基于dsp的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)各部分的設(shè)計方法,該系統(tǒng)具有硬件電路簡單、結(jié)構(gòu)靈活等特點。所采用的帶飽和反饋環(huán)節(jié)的電壓觀測模型對轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測精度高,能有效抑制直流漂移和初始值不確定等造成的誤差。仿真和實驗證明,采用此設(shè)計方法設(shè)計的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)具有很好的控制性能。

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