基于DSP 的异步电动机转子磁链定向控制系统

2015-03-12杨云森任晓刚郭育华

微特电机 2015年1期

杨云森，唐娟，任晓刚，郭育华

(西南交通大学，成都610031)

0 引言

在新电机控制理论、微电子技术、电力电子技术与微型计算机控制技术飞速发展的背景下，交流电机的控制方法得到了进一步的优化和改善。相对于直流调速，交流调速系统具备更快的响应速度、更大的调速范围和更准的调速精度。由于异步电动机本身是一个多变量、高阶次、非线性和强耦合的传动系统，所以需要通过坐标变换和按转子磁链定向，得到等效的直流电动机模型，再仿照直流电动机的控制策略对电磁转矩和磁链进行独立控制，从而使控制系统得以简化，这便是转子磁链定向控制(以下简称FOC)的基本思想。

1 异步电动机的数学模型

转子磁链定向控制方法的基本原理:在磁场定向中，把dq 坐标系置于以同步转速旋转的磁场中，并令旋转坐标系的d 轴完全重合于电机转子磁通的方向。因为对于异步电动机矢量控制系统，被控物理量为定子电流，所以在理论分析时，就必须建立起相关物理量同定子电流的一一对应关系。分析三相鼠笼式异步电动机，其模型在两相旋转坐标系下的电压方程如下:

式中:usd和usq为定子d 轴电压与q 轴电压;isd和isq为定子d 轴电流(励磁电流)与q 轴电流(转矩电流);Rs为定子绕组的等效电阻;Rr为转子绕组的等效电阻;Ls和Lr为定子绕组和转子绕组的自感;Lm为定子和转子绕组间的互感;p 为微分算子;ω1为同步旋转角频率;ωs为转差角频率。

两相旋转坐标系下的磁链方程如下:

式中:Ψr为转子旋转磁链;Ψrd和Ψrq分别为转子旋转磁链Ψr在d，q 轴上的分量。

在矢量控制系统中，被控量是电动机电流。联立式(1)和式(2)可以导出定子电流的两个分量定子励磁电流isd和定子转矩电流isq与其他物理量的关系:

式中:Tr=Lr/Rr是转子时间常数。

d，q 坐标系下，若满足磁场定向条件(Ψrq=0)，则其电磁转矩方程如下:

式中:Te为电磁转矩;p 为电机的极对数。

由式(3)和式(5)分析可知，因为式(3)中有时间参量Tr，所以isd与Ψr的函数关系存在时滞，转子磁通不能及时响应定子电流的变化，但是若控制定子励磁电流isd使磁通保持恒定，则通过控制定子转矩电流isq就可以实现对Te的瞬时控制，从而使异步电动机具有如同直流电动机的特性。

2 矢量控制系统原理

本文研究设计的控制系统采用了转速和电流的双闭环结构。控制系统结构图如图1 所示。

图1 异步电动机矢量控制系统结构图

通过检测得到交流电机两相定子电流iA和iB，经过两次坐标变换即Clarke 变换和Park 变换后能获取转矩电流分量isq和励磁电流分量isd。速度给定值ω*和速度反馈值ω 相比较，其差值经过速度PI 调节器后得到转矩电流分量的参考值。由于要使磁通为恒定值，所以在程序设定中直接给定励磁电流分量的参考值。励磁电流分量和定子电流分量的误差通过PI 调节器作用获得对应的电压参考值和，并结合由转子磁链观测器得到的转子磁链位置角θc进行Park 逆变换获得电压分量参考值和，从而可以建立SVPWM 算法，对逆变器进行控制。

3 控制系统的软件设计

3.1 主程序

控制系统主程序包括系统及变量初始化、各功能模块初始化、主电路上电控制、电机转子初始位置检测、开T1 下溢中断和CAP 捕获中断、使能PWM等功能。其中系统初始化是对系统时钟、存储器、中断系统和看门狗等进行配置。模块初始化配置的对象则包括:ADC 模块、I/O 模块和事件管理器EV 模块、串口通信模块和通用GPIO 口等。图2 为系统主程序流程框图。

图2 系统主程序流程框图

3.2 EVA 定时器1 下溢中断子程序

EVA 定时器1 下溢中断子程序是本文研究中电机FOC 算法的核心部分。它将执行如下功能:定子相电流采样和A/D 转换;初始化相位;通过正交光电编码器计算转子的实时速度和位置;调节PI 参数;规格化处理采样电流值;坐标变换和逆变换;SVPWM 实现;输出PWM 等。图3 为EVA 定时器1下溢中断服务子程序流程图。

图3 EVA 定时器1 下溢中断服务子程序流程框图

4 实验结果及分析

在软、硬件设计好后，对上述矢量控制方案进行实验验证。实验条件:功率开关管的开关频率为6 kHz，死区时间为5.2 μs;电机为极对数为2 的三相鼠笼型异步电动机，其额定功率3 kW，额定转速1 500 r/min，额定电压380 V，额定电流1.5 A，额定频率50 Hz。软件设定电机转速标幺值0.2，当给三相调压器加上100 V 电压时，电机正常起动，采集了4 组实验波形。图4(a)是在PWM1 引脚口采集到的经过低通滤波器滤波后的波形;图4(b)是通过SVPWM调制后逆变器输出的线电压波形;图4(c)是当电机稳态运行时，电机定子磁链矢量的轨迹;图4(d)是电机的转速波形。

图4 实验波形

实验结果显示，PWM1 引脚口采集到的是马鞍调制波，即A 相相电压波形，它是由SVPWM 算法产生的。在稳态时，电机转速实测值303 r/min，理论值300 r/min。通过采用转子磁场定向控制的方法，利用SVPWM 的调制控制，可以得到一个近似圆的定子磁链轨迹，从而使异步电动机定子输出电流谐波分量小，降低了它的转矩脉动，进而获得了高动态性能。