矢量控制高性能异步电机速度控制器设计_林立
DOI:10. 15934/j.cn k i . m icrom otors. 2005. 06. 015
矢量控制高性能异步电机速度控制器设计 林立 黄声华
矢量控制高性能异步电机速度控制器设计
林 立1, 黄声华2
(1. 邵阳学院, 邵阳, 422004; 2. 华中科技大学, 武汉, 430074)
摘 要:由于异步电机的矢量控制算法比较复杂, 要达到高性能控制的目的, 必须使用双D SP 。为解决这一问题, 利用现场可编程门阵列(F PG A ) , 设计一种智能控制器, 完成一系列复杂控制算法:速度P I 调节、电压空间矢量脉宽调制算法、Clar k 变换、Park 变换、电流磁链转换等, 实现了异步电机矢量控制速度控制器的专用集成电路。实验结果表明, 该速度控制器在低速与高速运行状态下均有良好的动、静态性能。关键词:感应电动机; 矢量控制; 现场可编程门阵列; 智能控制器; 控制算法
中图分类号:T M 343 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2005) 06-0045-04
High Performance speed controller design of AC Motor Based on Vector Control
LIN Li 1, HU ANG Sheng -hua 2
(1. Shao yang Institute, Shao yang , 422004; 2. Hua zho ng Univ of Scince and T echno. , W uha n, 430074, China) Abstract :AC mo to r v ecto r contr ol had a co mplex co ntro l algo rithm, in o rder to g et better per fo r ma nce, do uble DSP instr ume nts o ught to be used . As ruslt the functio n price rate of co ntro l systems w as lo w . Ino rder to so lv e these pro blem , IC was desig ned using FPG A in the paper a nd a se ries of metho ds w ere finished , such as speed PI adjust , curr ent PI adjust, sv pw m, cla rke, pa rk, and so o n. Th e ex perime nts sho w ed the IC had a g ood static and dyntaic fuinctio n. it is a n impo r ta nt to study IC with o w ner kno w ledg e pro perty right.
:AC mo to r ; V ecto r co ntro l ; FPG A ; intellig ence Co ntro ller ; Cont roller algo rithmic Key words
0 引 言
20世纪后期的电子技术(包括大规模集成电路技术、电力电子技术和计算机技术) 的飞速发展以及现代电机控制理论的完善, 对电机控制器的实现方
法提出了越来越高的要求。可靠性、实时性是对控制系统的基本要求。随着电子技术的进步, 以脉宽调制(PW M ) 为基础的变频调速技术已广泛应用于电机控制中。在数字化趋势广泛流行的今天, 集成电路甚至电机控制专用集成电路被大量应用于电机控制当中。特别是近年兴起一种全新的设计思想, 这就是基于现场可编程门阵列(FPGA) 的硬件实现技术, 可以应用于基于矢量控制的异步电机变频调速系统中。FPGA 本身是标准的单元阵列, 没有一般的IC 所具有的功能, 但用户可以根据自己的需要, 通过专门的布局布线工具对其内部进行编程, 在最短的时间内设计出自己的专用集成电路, 从而大大地提高了产品的竞争能力。由于它以纯硬件的方式进行并行处理, 而且不占用CPU 的资源, 所以可以使系统
收稿日期:2005-07-20
达到很高的性能。这种设计方法应用于异步电机矢量控制变频调速系统时, 一般把电流控制作为DSP 的一个协处理。转子速度和转子磁链算法由DSP 主机来实现。一般情况下, 位置控制比较灵活, 很难做到通用性, 所以位置环节一般由DSP 来完成。但速度控制和电流控制具有通用性, 因此可以把他们集成到一个专用芯片中。这样既可以实现速度控制, 又可以对电流单独控制, 还可以和DSP 共同构成位置控制系统。如图1所示。若FPGA 中集成有CPU 内核, 则可以把位置、速度、电流3种算法完全由一片FPGA 来实现, 从而实现真正的片上系统[1—2]
。
图1 异步电机速度控制系统的集成化结构
微电机 2005年 第38卷 第6期(总第147期)
现场可编程门阵列(FPGA ) 将半定制器件逻辑集成度高的优点与标准逻辑器件开发周期短和开发成本低的优点结合在一起, 具有结构灵活、高密度、高性能、开发工具先进、编程完毕后的成品无需测试和可实时在线检验等优点[3]。文中研究异步电动机矢量控制调速系统。
逆变换的矩阵形式为:
i i =
cos θ, -sin i d sin θ, cos i (4)
1 矢量控制的基本原理
异步电机三相绕组(A , B , C ) 与两相绕组(α, β)
轴线设定如图2所示。A 相绕组轴线与α相绕组轴线重合, 都是静止坐标, 分别对应的交流电流为i A 、
、i β。采用磁势分布和功率不变的绝对变换, 三i B 和i α
相交流电流在空间产生的磁势F 与二相交流电流产生的磁势相等。即采用正交变换矩阵, 其正变换公式为
:
图3 α—β坐标与d —q 坐标轴的设定
矢量控制也叫磁场定向控制, 它的基本思路是模拟直流电机的控制方法进行控制, 根据磁势和功率不变的原则通过正交变换, 将三相静止坐标变换
成二相静止坐标(Clarke 变换即3—β变换) , 坐H /α标变换关系如图2。定量关系如公式(1) , 然后通过旋转变换将两相静止坐标变成两相旋转坐标(Park 变换, 即α—β/d —q 变换) , 坐标变换关系如图3。定量关系如公式(3) , 在α—β/d —q 变换下将定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量i d , i q (其中i d 叫励磁电流分量, i q 叫转矩电流分量) , 并对其分别加以控制, 控制i d 就相当于控制磁通, 而控制i q 就相当于控制转矩。
图2 二相绕组与二相绕组的轴线设定
两个直流分量i d , i q 分别由速度和电流PI 调节
(
1)
器经电流电压变换、Cla rke 逆变换(坐标变换关系如图2, 定量关系如公式(2) 、Park 逆变换(坐标变换关系如图3。定量关系如式(4) 、电压空间矢量变换后, 获得控制逆变器的六路PW M 信号, 从而实现对异步电动机的变压变频控制。
i i
=
3
1-0
22
-
-
22
i i B i 逆变换公式是:
1,
0
i i B =i
-2, 23
-, -22
i i (2)
2 控制器的数字硬件设计
异步电机速度控制器的数字硬件设计主要包括Clarke 变换、Clarke 逆变换、Park 变换、Pa rk 逆变换、电流PI 调节模块、速度PI 调节模块、电压空间
矢量模块、转子磁链计算模块和速度检测模块等几个不同部分。矢量控制异步电机调速系统的主、控电路和数据运算路径如图4所示。2. 1 矢量变换模块设计
矢量变换包括相坐标以及坐标旋转正变换和反变换, 由式(1) 、(2) 、(3) 、(4) 给出了相应变换的定量运算公式。其中式(1) 和式(2) 的数字实现比较简单, 一个加法器和一个乘法器就可以完成变换运算; 式(3) 和(4) 确定的坐标旋转正变换和逆变换, 在工程实践中可以采用查正弦表或泰勒级数展开的方式进行计算, 从而完成相应的功能。
由两相静止坐标系(α, β) 到两相旋转坐标系(d —q) 的变换称为Pa rk 变换。α—β为静止坐标系, d —q 为任意角速度k 旋转的旋转坐标系, α—β静止坐标系变换为d —q 旋转坐标时, 坐标轴的设定如图3所示。图3中θ为α与d 轴之间的夹角, d 、q 绕组在空间垂直放置, 且加上直流i α和i q , 并让d 、q 坐标以同步转速k 旋转, 则产生的磁动势与α—β坐标系
等效。d —q 和α—β轴的夹角θ是一个变量, 随负载、
转速而变化, 在不同的时刻有不同的值。Park 变换写成矩阵形式, 其公式是:
i d i
=
cos θ, sin i -sin θ, cos
i (3)
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图4 速度控制器的数据路径
2. 2 PI 调节器模块设计
电流内环和速度外环都是按PI 控制策略进行调节的。式(5) 为双线性变换PI 调节器的迭代公式。
(5) O [n ]=P [n ]+l [n ]其中比例项迭代公式为
P [n ]=Kp ·E [n ]积分项迭代公式为
l [n]=l [n-1]+K h (E [n]+E [n-1])(7) 式中, E [n]为误差输入, Kp 为比例增益, K h 为积分增益, Kp 和K h 的范围由电机参数决定, 并且需要通过实验来确定其具体值。为了防止溢出, 调节器设置了饱和限制。电流PI 调节器输出的是电压指令, 以调制系数的形式经过补偿后送给SV PWM 模块; 速度PI 调节器输出的是参考电流指令, 直接送给电流调节器。不管是电流调节器还是速度调节器, 如果参考指令值比较大, 那么积分器就有可能会建立起一个很大的误差值, 并且由于积分器的惯性作用, 这个误差会一直保持较长时间, 从而会导致过大的超调。因此在设计PI 调节器时, 应当在积分器的输出超过限定值时立即关闭积分作用, 这样就可以减少过度超调的影响。
2. 3 M /T 法测速模块设计
基于转子磁场定向的异步电机矢量控制变频调速控制器的关键问题是转子位置及反馈速度的测量。本方案采用增量式光电码盘及霍尔元件作为位置检测器件, 在上电复位的时候由霍尔元件粗略检测电机转子的初始位置进行软启动, 当码盘的Z 脉冲出现后就可以得到精确的位置信息了。位置计数
(6)
则按码盘的两个正交输出脉冲QEP1和QEP2的四倍频进行。其脉冲波形如图5所示。转速是利用M /T 法进行测量的。M /T法是在M 法的基础上吸取T 法的优点, 其测量转速的过程为:在转速输出脉冲的下降沿启动定时器(定时长度为T c ) , 同时记取转速输出脉冲个数(m 1) 和时钟脉冲个数(m ′2) 。测量时间到, 先停止对转速输出脉冲个数的计数, 待下一个转速输出脉冲下降沿到来时, 再停止对时钟脉冲计数, 以保证测到整个转速传感器的输出脉冲; 所设的基本测量时间T c 可避免T 法因转速高导致测量时间减小的缺点; 同时读取对时钟脉冲的计数值可避免M 法因转速降低导致精度变差的缺点。其测量时
间为:T d =T c +ΔT =m 1·
P ·n
01
转速为:n =P m 2(8) 式(8) 中的m 1值不再可能有1个脉冲的误差, 故M /T 法的测量误差只可能因计数m ′2值存在一个脉冲的误差引起, 其相对误差为=(9) 。 其测速
n m 2
原理如图5所示
。
图5 M /T 法测速原理
2. 4 电压空间矢量模块设计
电压空间矢量脉宽调制法, 也称磁链追踪型
微电机 2005年 第38卷 第6期(总第147期)
PWM 法。它把电动机与逆变器看为一体, 着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场为目标, 以三相对称正弦电压供电时交流电动机中的理想磁链为基准, 用逆变器不同的开关模式所产生的磁链有效矢量来逼近基准圆。理论分析和实验表明SV PWM 调制脉动转矩小、噪音低, 直流电压利用率高(比普通的SPWM 调制约高15%) 。这种控制方法在变频器、逆变器中得到广泛的应用。图6所示的是电压空间矢量的结构框图
。
成一个完整的系统来实现位置随动控制, 也可以单独构成速度随动控制系统。
表1 X C2S300E 器件的资源利用情况X C 2S 300E GCL K SLicx L C LU T Flip-Flo p RAM D LL LO B
资源[***********]4K Bits 4188
使用情况2(40%) 3070(99%) 6838(82%) 5078(81%) 3328(54%) 64K Bits (100%) 2(50%) 80(41%)
在测试速度控制器性能的实验中, 驱动对象是一台最高转速为4900r /min、编码器线数为
4900的
1. 5kW
异步电动机, 且开关频率与采样频率均设为12k Hz 。图7和图8所示的是在不同转速指令下所测得的电动机转子速度跟踪曲线和α轴电流响应曲线。其中图8中的转速指令为从0到1168r /min 的
图6 电压空间矢量硬件结构
图中对称/不对称波形发生器、输出逻辑电路、空间矢量状态机与波形发生器的合成由比较控制积存器的相应位进行控制。具体工作原理参见文献[5]、[6]。
除了上述主要模块外, 还有通信模块、寄存器堆以及监控和保护等辅助性模块, 其中通信模块主要用来与DSP 或主机交换数据, 如图1所示。所有这些模块构成了一个完整的速度随动控制器, 并在一片FPGA 中获得实现。
阶跃输入, 动态响应时间不到0. 5m s , 最大超调量低与0. 8%, 稳态误差小于0. 02%。图8中的转速指令为斜坡输入, 加速度为0. 42r /min采样, 目标速度为495r /min , 动态跟踪误差在4%以内, 稳定误差约为0. 03%。若进一步提高开关频率和采样频率, 则控制系统的运行性能将会更加优良。
[8]
3 硬件设计的FPG A 与实验结果
基于矢量控制的高性能异步电机速度控制器设计电路中的所有模块均用硬件语言V HDL 进行描
述。在源代码通过功能仿真与时序仿真测试后, 再经过Syn Plify 软件综合生成EDF 网表文件, 最后在Xilinx 低成本FPGA(Spa rtan IIE-XC2S300E) 器件中得到实现, 其中器件的布局和布线是在Xilinx 集成开发环境ISE5. li 中完成的。系统资源利用情况如表1所示。整个设计消耗的等效门数约为350000, 基本接近饱和。若考虑到将来的功能扩展, 则需要容量更大的芯片, 但现有设计可重复利用, 无需作较大的修改。
上述的控制器IC 系统的时钟频率可以运行在33. 33M Hz 下, 并且可以通过上位机访问内部寄存器从而设置控制系统中的各种有关参数。这种IC 芯片既可以与TM S 320L 2812DSP 及其他电路共同构[7]
图7 阶跃速度指令下的响应曲线
图8 斜坡速度指令下的响应曲线
4 总 结
集成技术是目前电力电子技术领域最为重要的
研究方向, 必将成为未来该领域的研究热点。单片集成、混合集成和系统集成可看成是电力电子集成的不同层次和形式。现阶段单片集成局限于小功率范
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围, 中功率领域多采用混合集成或混合集成与系统集成相结合的形式; 大功率领域仍以系统集成为主。由于具有更高的集成度和更好的性能, 单片集成和混合集成是未来集成技术的主要发展方向。本文立足于我国现有的技术水平, 根据实际情况, 对异步电机变频调速专用IC 的研制作了研究, 取得了较好的实验效果。
文中所设计的基于FPGA 的异步电机变频调速专用IC , 内部集成了CLARKE 变换、PARK 变换、PARK 逆变换、速度PI 调节、电流d 轴PI 调节、电流q 轴PI 调节、对转子磁链定位和速度检测、电压空间矢量脉宽调制、PW M 波形发生等算法。速度外环和电流内环的采样频率分别可以达到35k Hz 和20kHz 。实验结果表明, 该专用控制器在运行时有着良好的动、静态性能。上述IC 已经在高性能集成数控系统中获得应用, 并取得了很好的实践效果。
[9]
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展方向[J ].电力电子技术, 2003, 37(5):93-94. 作者简介:林立(1972-) , 男, 湖南武冈市人, 博士研究生, 邵阳学院讲师, 研究方向为电力电子与电力传动。
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西安微电机研究所招聘信息
现诚聘2006届大学毕业生。热忱欢迎愿献身国防及微电机科技事业的应届毕业生加盟, 与西微所共谋发展。
专业电机与电器电气工程及自动化
(电机方向)
自动控制机械制造技术电子与信息技术工商企业管理
学历研究生本科本科本科本科本科
人数3人7人5人3人2人2人
工作方向微特电机、控制电机
设计开发数控产品设计开发工装设计、模具设计仪表维修及计算机管理行政、人力资源管理
联系部门:西安微电机研究所人事处 联系人:张先生、段先生地址:西安市莲湖区桃园西路2号 邮 编:710077联系电话:029-84276676、84276702 传 真:029-84276709
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