基于矢量控制的高性能異步電機速度控制器的設(shè)計

　　摘　要：由于異步電機的矢量控制算法比較復(fù)雜,要達到高性能的目的,必須利用雙DSP,使其系統(tǒng)的整體性價比下降。為解決這一問題,本文利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA),設(shè)計一種智能控制器來完成一系列復(fù)雜控制算法,實現(xiàn)了異步電機矢量控制速度控制器的專用集成電路。該電路對研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的矢量控制異步電機變頻調(diào)速專用芯片有著十分重要的意義。 
　　關(guān)鍵詞：異步電機 矢量控制 現(xiàn)場可編程門陣列 智能控制器 控制算法 

　　可靠性和實時性是對控制系統(tǒng)的基本要求,最初的電機控制都是采用分立元件的模擬電路。隨著電子技術(shù)的進步,以脈寬調(diào)制(PWM)為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電機控制中。在數(shù)字化趨勢廣泛流行的今天,集成電路甚至電機控制專用集成電路已大量應(yīng)用在電機控制中。特別是最近幾年興起一種全新的設(shè)計思想,即基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的硬件實現(xiàn)技術(shù)。該技術(shù)可以應(yīng)用于基于矢量控制的異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中。FPGA本身是標準的單元陣列,沒有一般的IC所具有的功能,但用戶可以根據(jù)自己的需要,通過專門的布局布線工具對其內(nèi)部進行編程,在最短的時間內(nèi)設(shè)計出自己的專用集成電路,從而大大地提高了產(chǎn)品的競爭力。由于FPGA以純硬件的方式進行并行處理,而且不占用CPU的資源,使系統(tǒng)可以達到很高的性能。這種設(shè)計方法應(yīng)用于異步電機矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)時,一般把電流控制作為DSP 的協(xié)處理,轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子磁鏈算法由DSP 主機來實現(xiàn)。一般情況下,位置控制比較靈活,很難做到通用性,所以位置環(huán)節(jié)一般由DSP來完成,但速度控制和電流控制具有通用性,因此可以把它們集成到一個專用芯片中。這樣,既可以實現(xiàn)速度控制,又可以對電流單獨控制,還可以和DSP共同構(gòu)成位置控制系統(tǒng)。如圖1所示,若FPGA中集成有CPU內(nèi)核,則可以把位置、速度、電流3種算法完全由1片F(xiàn)PGA來實現(xiàn),從而實現(xiàn)真正的片上系統(tǒng)[1][2]。  

圖1 異步電機速度控制器系統(tǒng)的集成化結(jié)構(gòu)

圖2 三相繞組與二相繞組的軸線設(shè)定
　　FPGA將半定制器件邏輯集成度高的優(yōu)點與標準邏輯器件開發(fā)周期短和開發(fā)成本低的優(yōu)點結(jié)合在一起后,具有結(jié)構(gòu)靈活、高密度、高性能、開發(fā)工具先進、編程完畢后的成品無需測試和可實時在線檢驗等優(yōu)點。本文介紹的異步電動機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計的基本思想,研究電流矢量控制、速度PI調(diào)節(jié)、電流 PI調(diào)節(jié)、反饋速度測量、電流磁鏈轉(zhuǎn)換、SVPWM、 Clarke變換、 Park變換和Park逆變換等幾個主要功能模塊的數(shù)字結(jié)構(gòu),并在單片Xilinx FPGA 中完成了主要模塊的布局布線,實現(xiàn)異步電機矢量控制速度控制器的專用集成電路[3]。 
1 矢量控制的基本原理 
　　設(shè)異步電機三相繞組(A、B、C)與二相繞組(α、β)的軸線設(shè)定如圖2所示,A相繞組軸線與α相繞組軸線重合,都是靜止坐標,分別對應(yīng)的交流電流為iA、iB、iC和iα、iβ。采用磁勢分布和功率不變的絕對變換,三相交流電流在空間產(chǎn)生的磁勢F與二相交流電流產(chǎn)生的磁勢相等。即采用正交變換矩陣,則其正變換公式為: 

　　其逆變換公式為:
　　

　　由二相靜止坐標系(α,β)到二相旋轉(zhuǎn)坐標系(d-q)的變換稱為Park變換。α、β為靜止坐標系,d-q為任意角速度ω旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標系。當α、β靜止坐標系變換為d-q旋轉(zhuǎn)坐標系時,坐標軸的設(shè)定如圖3所示。圖3中θ為α軸與d軸之間的夾角,d、q繞組在空間垂直放置,加上直流id和iq,并讓d、q坐標以同步轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn),則產(chǎn)生的磁動勢與α-β坐標系等效。d-q和α-β軸的夾角θ是一個變量,隨負載、轉(zhuǎn)速而變化,在不同的時刻有不同的值。Park變換,寫成矩陣形式,其公式如下: 

圖3 α-β坐標

圖4 速度控制器的數(shù)據(jù)路徑

　　電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)都是按PI控制策略進行調(diào)節(jié)的,式(5)為雙線性變換PI調(diào)節(jié)器的迭代公式。 
　　O[n]=P[n]+I[n]                        (5) 
　　其中比例項迭代公式為: 
　　P[n]=Kp