0 引言

矢量控制也稱磁場定向控制。它是上世紀(jì)70年代初由德國西門子公司F. Blaschke等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理。作為異步電機(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。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，功能強(qiáng)大的數(shù)字信號處理器(DSP)的廣泛應(yīng)用使得矢量控制逐漸走向了實(shí)用化。

在高性能的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)一般是必不可少的。通常，采用光電碼盤等速度傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測，并反饋轉(zhuǎn)速信號。

但是，由于速度傳感器的安裝給系統(tǒng)帶來一些缺陷使得系統(tǒng)的成本大大增加;精度越高的碼盤價(jià)格也越貴;碼盤在電機(jī)軸上的安裝存在同心度的問題，安裝不當(dāng)將影響測速的精度;使電機(jī)軸的體積增大，而且給電機(jī)的維護(hù)帶來一定困難，在惡劣的環(huán)境下，碼盤工作的精度易受環(huán)境的影響。因此，越來越多的學(xué)者將眼光投向無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究。

1 轉(zhuǎn)子磁場定向無速度傳感器矢量控制原理

1.1 系統(tǒng)矢量控制原理

所謂無速度傳感器控制系統(tǒng)就是取消了傳統(tǒng)的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的速度檢測裝置，通過檢測定子的電壓電流來間接估算電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際轉(zhuǎn)速值，將該值作為轉(zhuǎn)速反饋信號。本系統(tǒng)采用電流與電壓相結(jié)合的轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型以及基于異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的速度估算方法，可得轉(zhuǎn)子磁通位置角，并送至旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)。用霍爾電流傳感器檢測三相輸出的兩相電流iA、iB，計(jì)算出第三相電流iC=-(iA+iB)，從而獲得實(shí)時(shí)的輸出電流信號，亦為電機(jī)上的電流信號，為矢量控制的計(jì)算提供實(shí)時(shí)信號。由測得的電流經(jīng)矢量變換得到轉(zhuǎn)矩電流分量iT和勵(lì)磁電流分量iM，利用iMref-iM、iTref-iT所產(chǎn)生的電流誤差經(jīng)PI 控制器產(chǎn)生VMref、VTref ，經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換后求出兩相輸出電壓VDref、VQref，進(jìn)而控制逆變器。圖1是其矢量控制系統(tǒng)框圖。

1.2 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向基本方程

如果規(guī)定MT 坐標(biāo)系的M 軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈鬃r的方向，則MT 坐標(biāo)系就沿轉(zhuǎn)子磁場定向，此時(shí)異步電機(jī)的電壓方程為

1.3 轉(zhuǎn)子磁鏈位置的估算

在轉(zhuǎn)子磁場定向的無速度傳感器的異步電機(jī)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈估算是至關(guān)重要的一環(huán)。如果轉(zhuǎn)子磁鏈估算不準(zhǔn)確，則轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制將無法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下異步電機(jī)的基本方程，可以得到電流型轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型。

在低頻時(shí)，式(7)和式(8)中的定子電壓值變小，定子電阻壓降的偏差對積分結(jié)果的影響增大，因此必須準(zhǔn)確檢測定子電阻，但是定子電阻會(huì)隨溫度變化，要十分準(zhǔn)確地檢測是比較困難的。而對于電流模型來說，電動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)參數(shù)的偏差，容易引起磁通振蕩。所以，本系統(tǒng)將這兩種方法綜合在一起，以相互彌補(bǔ)高頻和低頻的不足。其運(yùn)算框圖如圖2所示。

1.4 轉(zhuǎn)速的估算

根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下異步電機(jī)的基本方程，

可以得到轉(zhuǎn)速估算模型。本模型中電機(jī)參數(shù)值也至關(guān)重要，否則容易出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差。模型方程式為

估算模型框圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由主電路、控制電路和輔助電路構(gòu)成。

主電路中逆變器采用6管封裝的IGBT 功率模塊，完成功率變換。控制電路以TMS320F2407 芯片為核心，用來完成矢量控制核心算法、PWM 產(chǎn)生、相關(guān)電流的檢測處理等功能。輔助電路由輔助開關(guān)電源，驅(qū)動(dòng)電路，電流傳感器組成，開關(guān)電源給系統(tǒng)提供多路隔離電源。

2.1 系統(tǒng)主回路

系統(tǒng)主回路包含整流器、逆變器、輔助電源、光耦隔離等。整流電路采用單相橋式電力二極管，把交流電整流成脈動(dòng)直流電，并用大電解電容濾波儲(chǔ)能。

逆變部分采用智能功率模塊(Intelligent PowerModule，IPM)，由于IPM內(nèi)置保護(hù)電路和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路，縮短了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，也減小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 DSP 2407控制板

控制板除了能夠完成空間電壓矢量調(diào)制算法外，還應(yīng)當(dāng)具有一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)所必需的其它功能。控制板的設(shè)計(jì)主要包括DSP 基本外圍電路的設(shè)計(jì)、采樣電路的設(shè)計(jì)、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)、通信電路的設(shè)計(jì)和輸入/輸出I/O口設(shè)計(jì)。通用變頻控制需要檢測的量有直流母線電壓、三相相電流、散熱器溫度等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文針對上述的控制方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

SVPWM的開關(guān)頻率為10 kHz，軟件死區(qū)為4μs，電流環(huán)的采樣周期為100 μs，電流環(huán)的輸出限幅為額定電壓的1.25倍。電機(jī)為2 對極三相籠型異步電機(jī)，直流側(cè)電源是通過整流橋?qū)蜗嘟涣麟娬?、濾波產(chǎn)生的。電機(jī)額定參數(shù)為：PN= 0.6 kW ;UN=380 V;IN=1.6 A;fn=50 Hz;nN=1 400 r/min。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形如圖4—圖6所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明響應(yīng)有很好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度，表明了控制方案的優(yōu)良性能，但是由于電機(jī)參數(shù)問題，估計(jì)的轉(zhuǎn)速曲線稍微有點(diǎn)波動(dòng)，和給定轉(zhuǎn)速相比有些誤差。

3.2 誤差分析

1)無論是轉(zhuǎn)子磁鏈位置估計(jì)還是速度估計(jì)，對參數(shù)的依賴性都較強(qiáng)，也正是因?yàn)槿绱?，無速度傳感器控制系統(tǒng)對電機(jī)參數(shù)的變化更為敏感，在速度調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)等動(dòng)態(tài)指標(biāo)上會(huì)出現(xiàn)跟蹤誤差。

2)由于轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)變化、磁飽和、渦流等影響，要實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場準(zhǔn)確定向難度很大。另外，在數(shù)字控制中，存在計(jì)算精度、離散化和時(shí)間滯后問題，這些也會(huì)導(dǎo)致磁鏈觀測角度的誤差。

4 結(jié)語

從異步電機(jī)矢量控制的基本方程式出發(fā)，并根據(jù)基本方程構(gòu)建了一個(gè)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型和轉(zhuǎn)速估算模型，并由上述結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1)本文所設(shè)計(jì)的矢量控制系統(tǒng)，充分利用了DSP的高速運(yùn)算能力和豐富的內(nèi)外設(shè)資源，使系統(tǒng)外圍電路少，結(jié)構(gòu)緊、可靠性高;

2)實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)控制精度高、實(shí)時(shí)性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。