摘要：本文介紹了一種采用磁鏈和開環(huán)速度估算器的轉(zhuǎn)子磁場定向的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計的的關(guān)鍵問題是磁鏈的觀測和速度的準(zhǔn)確估算。在系統(tǒng)動態(tài)過程中，電機(jī)的一些定、轉(zhuǎn)子參數(shù)會隨著電機(jī)溫升和磁路飽和的影響而發(fā)生變化，是時變參數(shù)，本文按照模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)造出參考模型和可調(diào)模型來實現(xiàn)了擴(kuò)展卡爾曼濾波對磁鏈和電機(jī)轉(zhuǎn)速的估算，并成功應(yīng)用此算法設(shè)計了一套DSP實驗控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了速度自適應(yīng)識別。同時本文介紹了DSP實驗系統(tǒng)的硬件和軟件實現(xiàn)方法并對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。模型試驗應(yīng)用于1.0 kW的感應(yīng)電機(jī)取得了較好的的控制效果。
關(guān)鍵詞：感應(yīng)電機(jī) 自適應(yīng) 無速度傳感器 DSP

1 前言
　　以轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高性能的工業(yè)場合，由于矢量控制需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)，因此很多情況下，人們是利用同軸安裝的速度傳感器測速。但是精密的速度傳感器價格較高，且在某些惡劣環(huán)境下無法安裝速度傳感器，因此近年來研究較多的是無速度傳感器矢量控制技術(shù)。對于無速度傳感器系統(tǒng)，由于電機(jī)終端可測量的只有電壓和電流信號，因此轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈只能通過電壓和電流計算得到。這種系統(tǒng)需解決兩個問題：轉(zhuǎn)速的估計和轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測[1]。
　　
2 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的基本原理
2.1轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制基本原理
　　1971年德國人F.Blaschke提出“感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理”，是人們首次提出矢量控制的概念，以后在實踐中經(jīng)過不斷改進(jìn)，形成了現(xiàn)在普遍采用的矢量控制系統(tǒng)。磁場定向化了多變量強(qiáng)耦合的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制問題。


 

2.2無速度傳感器矢量控制的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估計
　　為實現(xiàn)精確的速度反饋控制，必須能準(zhǔn)確獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號，同時進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確觀測，也需要轉(zhuǎn)速反饋信號。在無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中，只能對電機(jī)的定子電流和電壓進(jìn)行實時檢測，因此可以由定子電壓和電流進(jìn)行計算得到轉(zhuǎn)速大小。在系統(tǒng)動態(tài)過程中，電機(jī)的一些定、轉(zhuǎn)子參數(shù)會隨著電機(jī)溫升和磁路飽和的影響而發(fā)生變化，是時變參數(shù)，因此可以按照模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)造出參考模型和可調(diào)模型計算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。
　　根據(jù)電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系中的Park方程和磁鏈方程，可以得到兩種形式的轉(zhuǎn)子磁鏈模型：
 

3 DSP系統(tǒng)的實現(xiàn)
　　系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示?？刂坪诵南到y(tǒng)選用微處理器TMS320LF2407A，它是為專門控制電機(jī)而設(shè)計的數(shù)字信號處理器，有12 路的PWM輸出，其內(nèi)核是16位的，具有4級流水線，頻率可達(dá)40MHz ，內(nèi)置有32K的FLASH ROM，本設(shè)計不需要另外加程序存儲器。電流檢測經(jīng)放大濾波后由DSP的10位A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

　　系統(tǒng)的部分驅(qū)動電路如圖2所示。算法生成的控制信號，由DSP的事件管理模塊的PWM1~PWM6輸出PWM信號，經(jīng)6N137高速光耦隔離，帶動IR的IR2132S輸出驅(qū)動ST公司的STGW20NB60KDIGBT實現(xiàn)交流電機(jī)的高性能控制。為提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，在系統(tǒng)設(shè)計中采用了光耦隔離和拉高、拉低等設(shè)計方法。
　　系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)以前面推導(dǎo)的轉(zhuǎn)子磁場定向理論為基礎(chǔ)實現(xiàn)，軟件主程序框圖如圖3所示，T1下溢中斷服務(wù)程序框圖如圖4所示。在實際工作中，由于逆變器的輸出電流中含有大量噪聲，且當(dāng)模擬量經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量時會附加上轉(zhuǎn)換噪聲，因此，必須先對定子電流的實際測量值進(jìn)行低通濾波。通過軟件實現(xiàn)擴(kuò)展卡爾曼濾波對磁鏈和轉(zhuǎn)速的估計，以及空間矢量調(diào)制算法，獲得了令人滿意的實驗結(jié)果。證明擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對磁鏈和轉(zhuǎn)速的實時估計是非常準(zhǔn)確的，由此構(gòu)成的無速度傳感器系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能。

4實驗結(jié)果
　　采用本文推導(dǎo)的控制算法設(shè)計的DSP實驗開發(fā)板，應(yīng)用于一臺1.0Kw三相交流感應(yīng)電機(jī)。實驗結(jié)果如圖所示：圖5為三相定子電流，圖6為電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。由實驗測的數(shù)據(jù)我們可知，采用本控制算法可以得到較好波形的三相正弦波，電機(jī)的相應(yīng)速度快，超調(diào)小，能實現(xiàn)電機(jī)的高性能無速度傳感器控制。系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計可靠實現(xiàn)了三相電機(jī)的控制。

5 結(jié)論
　　綜上所述，無速度傳感器矢量控制無疑是今后的發(fā)展方向，對于矢量控制需要解決的關(guān)鍵問題是轉(zhuǎn)速估計和磁鏈觀測。不論是采用什么估計方法，對變量估計或觀測的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。如今隨著各種新的控制理論的提出，以及具有高速處理能力的微處理器的研制成功，計算的速度不再是限制控制算法的瓶頸，使得人們可以把最新的控制算法用于電機(jī)控制，不斷地提高矢量控制系統(tǒng)的各種性能。