0 引言
隨著現(xiàn)代控制理論、微處理技術和電力電子技術的不斷發(fā)展，基于矢量控制的高性能交流傳動系統(tǒng)得到廣泛的應用。異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，若以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標，再利用坐標變換，就可以把定子電流中的勵磁分量和轉矩分量獨立開來分別進行控制。這就是矢量控制的出發(fā)點。SVPWM調制技術把逆變器和電機看成一個整體來處理，所得模型簡單，便于處理器實時控制，并具有轉矩脈動小、噪聲低、電壓利用率高等優(yōu)點。本文以TI公司的專用電機控制芯片TMS320F2812為核心，給出了整個異步電機矢量控制系統(tǒng)的設計方案，并通過實驗驗證了其有效性。
1 異步電機矢量控制原理
矢量控制技術自從上世紀60、70年代開始，國內外眾多專家學者就已經(jīng)進行了潛心的研究，因此，矢量控制技術發(fā)展至今，內容已經(jīng)非常豐富。本文只討論基于轉子磁場定向的矢量控制原理。
1．1 異步電機控制的數(shù)學模型
鼠籠式異步電機在d，q兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型的電壓方程為：
其中：usd和usq分別為d，q旋轉坐標系下的定子電壓；isd和isq分別為d，q旋轉坐標系下的定子電流；ird和irq分別為d，q旋轉坐標系下的轉子電流；Rs和Ls分別為定子繞組的電阻與自感；Rr和Lr分別為定子繞組的電阻與自感；Lm為定轉子互感；P為微分算子；ω1為同步旋轉角頻率；ωs為轉差角頻率；
將轉子磁鏈矢量定在d軸方向上，可以推導出轉子磁鏈為：
其中：Tr為轉子時間常數(shù)。
由式(2)可見，調節(jié)定子電流的isd分量可以調節(jié)轉子磁鏈ψr，而當保持該定子電流磁通分量不變時，轉子磁通保持不變。其轉矩方程為：
其中：Te為電磁轉矩；np為電機的極對數(shù)；由式(3)可見，控制定子電流isq分量可以控制電機的電磁轉矩Te，通過該轉矩分量可以調節(jié)電機的轉速。該控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結構，圖1所示是其控制系統(tǒng)結構原理圖。
該控制系統(tǒng)所檢測的兩相定子電流經(jīng)Clarke與Park變換后可產(chǎn)生轉矩電流分量和勵磁電流分量，然后結合檢測轉速并通過電流模型計算坐標變換所需的磁鏈角。檢測轉速與給定轉速誤差經(jīng)PI調節(jié)后將生成轉矩給定值。轉矩電流分量與勵磁電流分量的誤差經(jīng)PI調節(jié)可產(chǎn)生u小M。給定值，并在通過旋轉坐標變換后輸入SVPWM模塊以產(chǎn)生6路PWM波，從而控制逆變器。
1．2 SVPWM原理
電壓空間矢量PWM技術是SPWM技術與電機磁鏈圓形軌跡直接結合的一種方法。它從電動機角度出發(fā)，直接以電動機磁鏈圓形軌跡控制為目的，該方法不僅在控制上與SPWM的效果相同，而且更直觀，物理意義更明晰，實現(xiàn)起來也很方便。SVPWM調制方法是利用交替使用不同的電壓空間矢量(六個基本電壓矢量和兩個零矢量)合成實現(xiàn)的。參考矢量合成規(guī)則是：由當前參考矢量所在扇區(qū)的兩個電壓矢量分別作用一定時間合成所得。為了補償參考矢量的旋轉頻率，設計時需要插入零矢量。
2 控制系統(tǒng)硬件組成
本系統(tǒng)主電路由整流電路、中間直流電容濾波和IGBT模塊封裝逆變器等組成?？刂齐娐凡捎肨I公司的電機專用控制芯片TMS320F2812為核心，由DSP最小系統(tǒng)板與控制底板構成，用以實現(xiàn)采樣調理、矢量控制及SVPWM調制算法等。此外，該控制系統(tǒng)還包括隔離開關電源、PWM驅動電路、轉速轉矩傳感器、以及霍爾電流傳感器等輔助電路，其中開關電源為整個控制電路提供多路隔離電源，其控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。
2．1 定子電流檢測
通過霍爾電流傳感器可將采樣得到的兩相定子電流經(jīng)過調理電路后送入DSP的AD口，以將模擬信號轉換為數(shù)字信號。其采樣轉換過程如圖3所示。
2．2 轉速檢測
通過智能數(shù)字式轉矩轉速測量儀可檢測轉速。當測速碼盤連續(xù)旋轉時，可通過光電開關輸出具有一定周期寬度的脈沖信號，這樣，根據(jù)碼盤的齒數(shù)和輸出信號的頻率，即可計算出相應的轉速。
3 控制系統(tǒng)軟件設計
控制系統(tǒng)軟件主要分為兩部分：一是控制系統(tǒng)主程序，包括系統(tǒng)初始化、定時器初始化、使能定時器下溢中斷與CPU中斷、其他系統(tǒng)模塊參數(shù)初始化等；二是中斷子程序，包括ADC模塊、CLARKE／PARK變換模塊、Id／Iq與速度PID模塊、PARK逆變換模塊、SVPWM模塊、速度計算模塊、電機電流模型計算模塊等。整個系統(tǒng)軟件的總體結構如圖4所示。
4 實驗結果
通過實驗可對上述矢量控制算法進行實驗驗證，實驗時，可選功率開關管的開關頻率為5kHz，死區(qū)為5．2μs。電機為4極三相籠型異步電機，其額定參數(shù)為：PN=3 kW，UN=220V，IN=7．5A，fN=50 Hz，nN=1500 r／min。圖5所示是實驗得出的結果和響應曲線。
該實驗結果顯示，該控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性。
5 結束語
本文以TI公司的電機控制專用DSP芯片TMS320F2812為基礎，采用基于轉子磁場定向控制和SVPWM調制技術，構建了一種異步電機矢量控制系統(tǒng)，并通過實驗驗證了該控制算法的正確性和有效性，具有一定的實用價值。