基于矢量控制的高性能異步電機速度控制器的設計

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作者：林立鼓黃聲華時間：2007-02-06 來源：

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　　摘　要：由于異步電機的矢量控制算法比較復雜,要達到高性能的目的,必須利用雙DSP,使其系統(tǒng)的整體性價比下降。為解決這一問題,本文利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA),設計一種智能控制器來完成一系列復雜控制算法,實現(xiàn)了異步電機矢量控制速度控制器的專用集成電路。該電路對研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的矢量控制異步電機變頻調(diào)速專用芯片有著十分重要的意義。
　　關鍵詞：異步電機 矢量控制 現(xiàn)場可編程門陣列 智能控制器 控制算法

　　可靠性和實時性是對控制系統(tǒng)的基本要求,最初的電機控制都是采用分立元件的模擬電路。隨著電子技術(shù)的進步,以脈寬調(diào)制(PWM)為基礎的變頻調(diào)速技術(shù)已廣泛應用于電機控制中。在數(shù)字化趨勢廣泛流行的今天,集成電路甚至電機控制專用集成電路已大量應用在電機控制中。特別是最近幾年興起一種全新的設計思想,即基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的硬件實現(xiàn)技術(shù)。該技術(shù)可以應用于基于矢量控制的異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中。FPGA本身是標準的單元陣列,沒有一般的IC所具有的功能,但用戶可以根據(jù)自己的需要,通過專門的布局布線工具對其內(nèi)部進行編程,在最短的時間內(nèi)設計出自己的專用集成電路,從而大大地提高了產(chǎn)品的競爭力。由于FPGA以純硬件的方式進行并行處理,而且不占用CPU的資源,使系統(tǒng)可以達到很高的性能。這種設計方法應用于異步電機矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)時,一般把電流控制作為DSP 的協(xié)處理,轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子磁鏈算法由DSP 主機來實現(xiàn)。一般情況下,位置控制比較靈活,很難做到通用性,所以位置環(huán)節(jié)一般由DSP來完成,但速度控制和電流控制具有通用性,因此可以把它們集成到一個專用芯片中。這樣,既可以實現(xiàn)速度控制,又可以對電流單獨控制,還可以和DSP共同構(gòu)成位置控制系統(tǒng)。如圖1所示,若FPGA中集成有CPU內(nèi)核,則可以把位置、速度、電流3種算法完全由1片F(xiàn)PGA來實現(xiàn),從而實現(xiàn)真正的片上系統(tǒng)[1][2]。

圖1 異步電機速度控制器系統(tǒng)的集成化結(jié)構(gòu)

圖2 三相繞組與二相繞組的軸線設定
　　FPGA將半定制器件邏輯集成度高的優(yōu)點與標準邏輯器件開發(fā)周期短和開發(fā)成本低的優(yōu)點結(jié)合在一起后,具有結(jié)構(gòu)靈活、高密度、高性能、開發(fā)工具先進、編程完畢后的成品無需測試和可實時在線檢驗等優(yōu)點。本文介紹的異步電動機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)按照模塊化設計的基本思想,研究電流矢量控制、速度PI調(diào)節(jié)、電流 PI調(diào)節(jié)、反饋速度測量、電流磁鏈轉(zhuǎn)換、SVPWM、 Clarke變換、 Park變換和Park逆變換等幾個主要功能模塊的數(shù)字結(jié)構(gòu),并在單片Xilinx FPGA 中完成了主要模塊的布局布線,實現(xiàn)異步電機矢量控制速度控制器的專用集成電路[3]。
1 矢量控制的基本原理
　　設異步電機三相繞組(A、B、C)與二相繞組(α、β)的軸線設定如圖2所示,A相繞組軸線與α相繞組軸線重合,都是靜止坐標,分別對應的交流電流為iA、iB、iC和iα、iβ。采用磁勢分布和功率不變的絕對變換,三相交流電流在空間產(chǎn)生的磁勢F與二相交流電流產(chǎn)生的磁勢相等。即采用正交變換矩陣,則其正變換公式為:

　　其逆變換公式為:
　　

　　由二相靜止坐標系(α,β)到二相旋轉(zhuǎn)坐標系(d-q)的變換稱為Park變換。α、β為靜止坐標系,d-q為任意角速度ω旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標系。當α、β靜止坐標系變換為d-q旋轉(zhuǎn)坐標系時,坐標軸的設定如圖3所示。圖3中θ為α軸與d軸之間的夾角,d、q繞組在空間垂直放置,加上直流id和iq,并讓d、q坐標以同步轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn),則產(chǎn)生的磁動勢與α-β坐標系等效。d-q和α-β軸的夾角θ是一個變量,隨負載、轉(zhuǎn)速而變化,在不同的時刻有不同的值。Park變換,寫成矩陣形式,其公式如下:

圖3 α-β坐標

　　矢量控制亦稱磁場定向控制,其基本思路是:模擬直流電機的控制方法進行控制,根據(jù)磁勢和功率不變的原則通過正交變換,將三相靜止坐標變換成二相靜止坐標(Clarke變換即3Φ/α-β變換,其坐標變換關系如圖2,定量關系如公式(1)),然后通過旋轉(zhuǎn)變換將二相靜止坐標變成二相旋轉(zhuǎn)坐標(Park變換,即(α-β/d-q變換,坐標變換關系如圖3,定量關系如公式(3))。在α-β/d-q變換下將定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的2個直流分量id、iq(其中id為勵磁電流分量,iq為轉(zhuǎn)矩電流分量),并對其分別加以控制,控制id就相當于控制磁通,而控制iq就相當于控制轉(zhuǎn)矩。
　　2個直流分量id和iq分別由速度和電流PI調(diào)節(jié)器經(jīng)電流電壓變換和Clarke逆變換(坐標變換關系如圖2,定量關系如公式(2))、Park逆變換(坐標變換關系如圖3,定量關系如式(4))和電壓空間矢量變換后,獲得控制逆變器的6路PWM信號,從而實現(xiàn)對異步電機的變壓變頻控制。
2 控制器的數(shù)字硬件設計
　　異步電機速度控制器的數(shù)字硬件設計主要包括Clarke變換、Clarke逆變換;Park變換、Park逆變換;電流PI調(diào)節(jié)模塊、速度PI調(diào)節(jié)模塊;電壓空間矢量模塊;轉(zhuǎn)子磁鏈計算模塊和速度檢測模塊等幾個不同部分。矢量控制異步電機調(diào)速系統(tǒng)的主電路和數(shù)據(jù)運算路徑如圖4所示。
2.1 矢量變換模塊設計
　　矢量變換包括相坐標以及坐標旋轉(zhuǎn)正變換和反變換,式(1)～(4)給出了相應變換的定量運算公式。其中式(1)、(2)的數(shù)字實現(xiàn)比較簡單,1個加法器和1個乘法器就可以完成變換運算;式(3)、(4)確定的坐標旋轉(zhuǎn)正變換和逆變換,在工程實踐中可以采用查正弦表或泰勒級數(shù)展開的方式進行計算,從而完成相應的功能。
2.2 PI調(diào)節(jié)器模塊設計