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(lì)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(shí)間常數(shù)，而轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)易受溫度和磁飽和影響。為克服這些缺點(diǎn)，需要對電機(jī)的轉(zhuǎn)子參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)算量大，要求具有一定的實(shí)時(shí)性，從而對控制芯片的運(yùn)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(jì)方法，采用了電壓模型觀測器[2]對轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行估計(jì)，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(gè)算法在tms320f2812 dsp芯片上實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算速度快，保證了系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)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(gè)分量勵(lì)磁電流分量isd與轉(zhuǎn)矩電流分量isq，即用這兩個(gè)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(dú)立控制，這樣就可以將一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)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(dòng)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(yùn)行的同步頻率在電機(jī)額定頻率以下時(shí)，激磁電流isd為電機(jī)額定激磁電流，在額定頻率以上時(shí)采用弱磁控制。圖1所示系統(tǒng)中采用了3個(gè)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(lì)磁電流調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流分量。轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器根據(jù)實(shí)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(gè)控制系統(tǒng)的精度主要取決于反饋信號(hào)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(jì)的精度。而由異步電機(jī)的磁鏈電壓觀測方程式 　　 可知，磁鏈?zhǔn)怯煞措妱?dòng)勢積分得到，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: 　　其中， 。所以當(dāng)[img=57,20]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf30.jpg[/img]時(shí)，磁鏈觀測模型為: 　　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(shí)，磁鏈觀測模型為: 　　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(shí)，即使輸入存在直流偏置信號(hào)，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型輸出也不會(huì)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(huì)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(huì)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(shí)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。 [align=left]　　整個(gè)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?？刂苹芈凡捎脭?shù)字化設(shè)計(jì)，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(gè)系統(tǒng)控制策略的實(shí)現(xiàn)由dsp（tms320f1812）來實(shí)現(xiàn)。它是ti公司專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的定點(diǎn)芯片，其主頻可達(dá)150mhz。片內(nèi)兩個(gè)事件管理器（eva和evb）各有2個(gè)通用定時(shí)器，6個(gè)帶可編程死區(qū)功能的pwm輸出通道，2個(gè)外部硬件中斷引腳,6個(gè)捕獲單元和2個(gè)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(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出等。 功率驅(qū)動(dòng)部分 　　異步電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)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(gè)igbt構(gòu)成的逆變電路以及一個(gè)供能耗制動(dòng)時(shí)用的igbt。dsp的pwm1～6腳提供pwm觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)電路來控制功率模塊中的igbt的通斷，實(shí)現(xiàn)svpwm逆變輸出。同橋臂的兩路pwm觸發(fā)信號(hào)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(shí)在相應(yīng)故障引腳輸出故障信號(hào)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(jì)[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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)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。 　　本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)11kw的y型接法的三相異步電機(jī)上進(jìn)行的，dsp tms320f2812 的時(shí)鐘頻率設(shè)為150mhz，svpwm的開關(guān)頻率為5khz，死區(qū)時(shí)間為3.2μs。當(dāng)頻率為20hz時(shí)的電壓電流波形如圖6所示，頻率為40hz時(shí)的電流，電壓波形如圖7所示。 [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(jì)方法，該系統(tǒng)具有硬件電路簡單、結(jié)構(gòu)靈活等特點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)證明，采用此設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)具有很好的控制性能。