1　引言 感應(yīng)電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、轉(zhuǎn)速高、容量大、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于感應(yīng)電動機(jī)是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，磁通和轉(zhuǎn)矩耦合在一起，不能像直流電動機(jī)那樣，磁通和轉(zhuǎn)矩可以分別控制。所以，一直到20世紀(jì)80年代都沒有獲得高性能的感應(yīng)電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。近年來，隨著電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使得感應(yīng)電動機(jī)在可調(diào)傳動中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。矢量控制策略的提出，更是實現(xiàn)了磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，其控制效果可媲美直流電動機(jī)。 本文在分析感應(yīng)電動機(jī)矢量控制原理的基礎(chǔ)上，基于matlab/simulink建立了感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果證明了該模型的合理性。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，通過實驗驗證控制策略的正確性。 2　矢量控制的基本原理 長期以來，直流電動機(jī)具有很好的運(yùn)行特性和控制特性，通過調(diào)節(jié)勵磁電流和電樞電流可以很容易的實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。因為它的轉(zhuǎn)矩在主磁極勵磁磁通保持恒定的情況下與電樞電流成線性關(guān)系，所以通過電樞電流環(huán)作用就可以快速而準(zhǔn)確地實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，不僅使系統(tǒng)具有良好穩(wěn)態(tài)性能，又具有良好的動態(tài)性能。但是，由于換向器和電刷的原因，直流電動機(jī)有它固有的缺點(diǎn)，如制造復(fù)雜，成本高，需要定期維修，運(yùn)行速度受到限制，難以在有防腐防暴特殊要求的場合下應(yīng)用等等。 矢量控制的設(shè)計思想是模擬直流電動機(jī)的控制特點(diǎn)進(jìn)行交流電動機(jī)控制?；诮涣麟妱訖C(jī)動態(tài)模型，通過矢量坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，使交流電動機(jī)的動態(tài)模型簡化，并實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦。然后按照直流電動機(jī)模型設(shè)計控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)優(yōu)良的靜、動態(tài)性能。 在根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，感應(yīng)電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)的控制方程為： 從式（1）中可以看出，轉(zhuǎn)子磁鏈ψr僅由定子電流勵磁電流ism產(chǎn)生，與定子電流轉(zhuǎn)矩分量ist無關(guān)，而電磁轉(zhuǎn)矩te正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，這充分說明了感應(yīng)電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向可以實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的完全解耦。 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確定向。但是，轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測非常困難，而利用磁鏈模型間接估算磁鏈的方法又受到電機(jī)參數(shù)變化的影響，造成控制的不準(zhǔn)確。因此，與其用磁鏈閉環(huán)控制而反饋不準(zhǔn)，不如采用磁鏈開環(huán)控制，使得系統(tǒng)簡單、可靠。采用磁鏈開環(huán)的控制方式，無需轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值，但對于矢量坐標(biāo)變換而言，仍然需要轉(zhuǎn)子磁鏈的位置信號。由此可知，轉(zhuǎn)子磁鏈的計算仍然不可避免，如果利用給定值間接計算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置，可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種方法稱為間接定向。間接定向的矢量控制系統(tǒng)借助于矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式，構(gòu)成轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)[1]。 本文設(shè)計了一個轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)。其控制思想是:在控制過程中，使電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)冀K保持不變，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就能和穩(wěn)態(tài)工作時一樣，主要由轉(zhuǎn)差率來決定。按照這個思路，就可以從轉(zhuǎn)子磁鏈直接得到定子電流m軸分量的給定值，再通過對定子電流的有效控制，避免了磁通的閉環(huán)控制。這種控制方法用轉(zhuǎn)差率和測量的轉(zhuǎn)速相加后積分來估算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置，結(jié)構(gòu)比較簡單，所能獲得的動態(tài)性能基本上可以達(dá)到直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的水平。其系統(tǒng)模型如圖1所示。 [align=center][img=567,265]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-01.jpg[/img] 圖1　轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)原理圖[/align] 3　系統(tǒng)仿真 根據(jù)以上的原理分析，搭建了感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)模型，利用matlab的工具軟件simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。 [align=center][img=567,274]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-02.jpg[/img] 圖2　感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)仿真模型[/align] 在仿真系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器均采用輸出限幅的pi調(diào)節(jié)。仿真波形如圖3至圖5所示。仿真結(jié)果表明磁鏈開環(huán)間接型矢量控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。 [align=center][img=425,280]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-03.jpg[/img] 圖3　轉(zhuǎn)速響應(yīng) [img=425,277]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-04.jpg[/img] 圖4　三相電流波形 [img=425,297]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-05.jpg[/img] 圖5　輸出轉(zhuǎn)矩[/align] 4　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 由于數(shù)字信號處理器dsp具有硬件電路簡單、控制算法靈活，抗干擾能力強(qiáng)、無漂移、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于交流電動機(jī)控制系統(tǒng)中，因此設(shè)計采用以dsp作為控制核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)采用交-直-交變壓變頻電路，輸入單相220v交流電，輸出三相交流電來控制感應(yīng)電動機(jī)。控制電路以dsp芯片tms320lf2407為核心，構(gòu)成功能齊全的全數(shù)字轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)主要包括主電路和控制電路兩部分。 4.1 主電路 主電路是功率變換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括整流電路、濾波電路、能耗電路和逆變電路。本系統(tǒng)采用交-直-交電壓型主電路，先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。逆變電路采用型號為ir16up60a的ipm模塊，該模塊包含了柵極驅(qū)動電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護(hù)電路。該智能模塊的應(yīng)用，減小了裝置的體積，提高了系統(tǒng)的性能與可靠性。 4.2 控制電路 系統(tǒng)的控制電路以tms320lf2407為控制核心，完成電流信號與轉(zhuǎn)速信號檢測、控制算法的實現(xiàn)以及相應(yīng)的pwm信號輸出。檢測電路又分為電流檢測和轉(zhuǎn)速檢測兩部分。 4.2.1 電流檢測 電流信號檢測的結(jié)果用于矢量控制的坐標(biāo)變換，以實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦。由于y型連接繞組中三相電流瞬時值的總和為0，即ia+ib+ic=0，因此只需檢測其中兩相電流，第三相可由其它兩相信號相加取反獲得。本系統(tǒng)采用chb-25np型電流霍爾傳感器（見圖6），將檢測到的電流按200:1的變比在副邊輸出。由于tms320lf2407片內(nèi)a/d轉(zhuǎn)換器的允許輸入為0-3.3v的單極型信號，故采集到的電流信號需經(jīng)過電壓偏移電路和限幅電路后進(jìn)入dsp的a/d轉(zhuǎn)換輸入通道。 [align=center][img=425,129]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-06.jpg[/img] 圖6　電流采樣電路[/align] 4.2.2 轉(zhuǎn)速檢測 轉(zhuǎn)速檢測是速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，其精度將直接影響調(diào)速系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用增量式光電編碼器，光電碼盤的脈沖數(shù)為2048，它由5 v電壓供電，有六路輸出，即為a+、a-、b+、b-、z+、z-。其中a、b用于測速，它們相位相差90°，每轉(zhuǎn)一周，輸出2048個脈沖；而z軸每轉(zhuǎn)一周輸出一個脈沖，用于確定轉(zhuǎn)子的空間位置。轉(zhuǎn)速采集電路如圖7所示。 [align=center][img=567,360]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-07.jpg[/img] 圖7　轉(zhuǎn)速采集電路[/align] 將增量式光電編碼器輸出的信號a+、a-、b+、b-、z+、z-輸入ds3486m，ds3486m具有抗干擾能力，可以提高傳輸?shù)木?，使得速度信號可以遠(yuǎn)距離的傳輸。輸出的信號經(jīng)過一組反相器對波形進(jìn)行整形，然后輸入到dsp中的正交編碼脈沖電路（qep電路）。通過正交編碼脈沖電路便可獲得感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息。 5　系統(tǒng)的軟件設(shè)計 本系統(tǒng)的軟件由兩部分構(gòu)成:主程序和pwm中斷服務(wù)子程序組成（見圖8）。主程序中對硬件和變量初始化，對各個控制寄存器置初值，對運(yùn)算過程中使用的各種變量分配地址并設(shè)置相應(yīng)的初值。初始化模塊僅在dsp上電復(fù)位后執(zhí)行一次，然后進(jìn)入循環(huán)等待時期。中斷服務(wù)子程序是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)a/d轉(zhuǎn)換、速度計算、坐標(biāo)變換、pi調(diào)節(jié)、生成pwm信號等[2]。 [align=center][img=425,1097]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-08.jpg[/img] 圖8　pwm中斷程序流程圖[/align] 6　實驗研究 在完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件編程調(diào)試后，對系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行了實驗研究。圖9為感應(yīng)電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)電流波形，圖10為轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，很好的跟隨了轉(zhuǎn)速給定。 7　結(jié)束語 本文采用tms320lf2407設(shè)計了感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)，通過理論分析、仿真研究和實驗結(jié)果證實:磁鏈開環(huán)間接型矢量控制系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能。同時，為實現(xiàn)更為復(fù)雜的控制算法提供了基礎(chǔ)，也為實際感應(yīng)電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了思路。 作者簡介 徐奇?zhèn)ィ?983-）　男　哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系在讀碩士研究生　研究方向為電機(jī)驅(qū)動控制。 參考文獻(xiàn) [1] 阮毅,陳維鈞. 運(yùn)動控制系統(tǒng). 北京:清華大學(xué)出版社,2006 [2] 王曉明,王玲. 電動機(jī)的dsp控制. 北京:航空航天大學(xué)出版社,2004