基于矢量控制的高性能異步電機(jī)速度控制器的設(shè)計(jì)

可靠性和實(shí)時(shí)性是對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求,最初的電機(jī)控制都是采用分立元件的模擬電路。隨著電子技術(shù)的進(jìn)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(jī)控制中。在數(shù)字化趨勢(shì)廣泛流行的今天,集成電路甚至電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路已大量應(yīng)用在電機(jī)控制中。特別是最近幾年興起一種全新的設(shè)計(jì)思想,即基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fpga)的硬件實(shí)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(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中。fpga本身是標(biāo)準(zhǔn)的單元陣列,沒(méi)有一般的ic所具有的功能,但用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要,通過(guò)專(zhuān)門(mén)的布局布線工具對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行編程,在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出自己的專(zhuān)用集成電路,從而大大地提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。由于fpga以純硬件的方式進(jìn)行并行處理,而且不占用cpu的資源,使系統(tǒng)可以達(dá)到很高的性能。這種設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí),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(jī)來(lái)實(shí)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(lái)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(gè)專(zhuān)用芯片中。這樣,既可以實(shí)現(xiàn)速度控制,又可以對(duì)電流單獨(dú)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fpga來(lái)實(shí)現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)真正的片上系統(tǒng)[1][2]。

fpga將半定制器件邏輯集成度高的優(yōu)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件開(kāi)發(fā)周期短和開(kāi)發(fā)成本低的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起后,具有結(jié)構(gòu)靈活、高密度、高性能、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、編程完畢后的成品無(wú)需測(cè)試和可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計(jì)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(cè)量、電流磁鏈轉(zhuǎn)換、svpwm、 clarke變換、 park變換和park逆變換等幾個(gè)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(shí)現(xiàn)異步電機(jī)矢量控制速度控制器的專(zhuān)用集成電路[3]。

1 矢量控制的基本原理

設(shè)異步電機(jī)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(biāo),分別對(duì)應(yīng)的交流電流為ia、ib、ic和iα、iβ。采用磁勢(shì)分布和功率不變的絕對(duì)變換,三相交流電流在空間產(chǎn)生的磁勢(shì)f與二相交流電流產(chǎn)生的磁勢(shì)相等。即采用正交變換矩陣,則其正變換公式為:

由二相靜止坐標(biāo)系(α,β)到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)的變換稱(chēng)為park變換。α、β為靜止坐標(biāo)系,d-q為任意角速度ω旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。當(dāng)α、β靜止坐標(biāo)系變換為d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系時(shí),坐標(biāo)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(biāo)以同步轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn),則產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與α-β坐標(biāo)系等效。d-q和α-β軸的夾角θ是一個(gè)變量,隨負(fù)載、轉(zhuǎn)速而變化,在不同的時(shí)刻有不同的值。park變換,寫(xiě)成矩陣形式,其公式如下:

矢量控制亦稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制,其基本思路是:模擬直流電機(jī)的控制方法進(jìn)行控制,根據(jù)磁勢(shì)和功率不變的原則通過(guò)正交變換,將三相靜止坐標(biāo)變換成二相靜止坐標(biāo)(clarke變換即3φ/α-β變換,其坐標(biāo)變換關(guān)系如圖2,定量關(guān)系如公式(1)),然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換將二相靜止坐標(biāo)變成二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(park變換,即(α-β/d-q變換,坐標(biāo)變換關(guān)系如圖3,定量關(guān)系如公式(3))。在α-β/d-q變換下將定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的2個(gè)直流分量id、iq(其中id為勵(lì)磁電流分量,iq為轉(zhuǎn)矩電流分量),并對(duì)其分別加以控制,控制id就相當(dāng)于控制磁通,而控制iq就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。

2個(gè)直流分量id和iq分別由速度和電流pi調(diào)節(jié)器經(jīng)電流電壓變換和clarke逆變換(坐標(biāo)變換關(guān)系如圖2,定量關(guān)系如公式(2))、park逆變換(坐標(biāo)變換關(guān)系如圖3,定量關(guān)系如式(4))和電壓空間矢量變換后,獲得控制逆變器的6路pwm信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的變壓變頻控制。

2 控制器的數(shù)字硬件設(shè)計(jì)

異步電機(jī)速度控制器的數(shù)字硬件設(shè)計(jì)主要包括clarke變換、clarke逆變換;park變換、park逆變換;電流pi調(diào)節(jié)模塊、速度pi調(diào)節(jié)模塊;電壓空間矢量模塊;轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算模塊和速度檢測(cè)模塊等幾個(gè)不同部分。矢量控制異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主電路和數(shù)據(jù)運(yùn)算路徑如圖4所示。

2.1 矢量變換模塊設(shè)計(jì)

矢量變換包括相坐標(biāo)以及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正變換和反變換,式(1)～(4)給出了相應(yīng)變換的定量運(yùn)算公式。其中式(1)、(2)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,1個(gè)加法器和1個(gè)乘法器就可以完成變換運(yùn)算;式(3)、(4)確定的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正變換和逆變換,在工程實(shí)踐中可以采用查正弦表或泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)的方式進(jìn)行計(jì)算,從而完成相應(yīng)的功能。

2.2 pi調(diào)節(jié)器模塊設(shè)計(jì)

電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)都是按pi控制策略進(jìn)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(xiàng)迭代公式為:

p[n]=kp·e[n] (6)

積分項(xiàng)迭代公式為:

i[n]=i[n-1]+kh(e[n]+e[n-1]) (7)

式中e[n]為誤差輸入,kp為比例增益,kh為積分增益,kp和kh的范圍由電機(jī)參數(shù)決定,并且需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定其具體值。為防止溢出,調(diào)節(jié)器設(shè)置了飽和限制。電流pi調(diào)節(jié)器輸出的是電壓指令,以調(diào)制系數(shù)的形式經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后送給svpwm模塊;速度pi調(diào)節(jié)器輸出的是參考電流指令,直接送給電流調(diào)節(jié)器。不管是電流調(diào)節(jié)器還是速度調(diào)節(jié)器,如果參考指令值比較大,其積分器就有可能會(huì)建立起一個(gè)很大的誤差值,并且由于積分器的慣性作用,這個(gè)誤差會(huì)一直保持較長(zhǎng)時(shí)間,從而將導(dǎo)致過(guò)大的超調(diào)。因此在設(shè)計(jì)pi調(diào)節(jié)器時(shí),應(yīng)當(dāng)在積分器的輸出超過(guò)限定值時(shí)立即關(guān)閉積分作用,以減少過(guò)度超調(diào)的影響。

2.3 m/t法測(cè)速模塊設(shè)計(jì)

基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速控制器的關(guān)鍵問(wèn)題是轉(zhuǎn)子位置及反饋速度的測(cè)量。本方案采用增量式光電碼盤(pán)及霍爾元件作為位置檢測(cè)器件,在上電復(fù)位時(shí)由霍爾元件粗略檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置進(jìn)行軟啟動(dòng),當(dāng)碼盤(pán)的z脈沖出現(xiàn)后就可以得到精確的位置信息。位置計(jì)數(shù)則按碼盤(pán)的2個(gè)正交輸出脈沖qep1和qep2的4倍頻進(jìn)行,其脈沖波形如圖5所示。轉(zhuǎn)速是利用m/t法進(jìn)行測(cè)量的。m/t法是在m法的基礎(chǔ)上吸取t法的優(yōu)點(diǎn),其測(cè)量轉(zhuǎn)速的過(guò)程為:在轉(zhuǎn)速輸出脈沖的下降沿啟動(dòng)定時(shí)器(定時(shí)長(zhǎng)度為tc),同時(shí)記錄轉(zhuǎn)速輸出脈沖個(gè)數(shù)ml和時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)m2。測(cè)量時(shí)間到,先停止對(duì)轉(zhuǎn)速輸出脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù),待下一個(gè)轉(zhuǎn)速輸出脈沖下降沿到來(lái)時(shí),再停止對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù),以保證測(cè)到整個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖。所設(shè)的基本測(cè)量時(shí)間tc可避免t法因轉(zhuǎn)速高導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間減小的缺點(diǎn);同時(shí)讀取對(duì)時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)值可避免m法因轉(zhuǎn)速降低導(dǎo)致精度變差的缺點(diǎn)。其測(cè)量時(shí)間為:

8)式中的ml值不再可能有1個(gè)脈沖的誤差,故m/t法的測(cè)量誤差只可能因計(jì)數(shù)m2值存在一個(gè)脈沖的誤差引起,其相對(duì)誤差為 其測(cè)速原理如圖6所示。

2.4 電壓空間矢量模塊設(shè)計(jì)

電壓空間矢量脈寬調(diào)制法也稱(chēng)磁鏈追蹤型pwm法,該方法把電動(dòng)機(jī)與逆變器看為一體,側(cè)重于以電動(dòng)機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)為目標(biāo),以三相對(duì)稱(chēng)正弦電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)中的理想磁鏈為基準(zhǔn),用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的磁鏈有效矢量來(lái)逼近基準(zhǔn)圓。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明svpwm調(diào)制的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,噪音低和直流電壓利用率高(比普通的spwm調(diào)制約高15%)。這種控制方法在變頻器、逆變器中得到了廣泛的應(yīng)用。電壓空間矢量結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

除了上述主要模塊外,還有通信模塊、寄存器堆以及監(jiān)控和保護(hù)等輔助性模塊,其中通信模塊主要用來(lái)與dsp或主機(jī)交換數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖1)。所有這些模塊構(gòu)成了一個(gè)完整的速度隨動(dòng)控制器,并在1片fpga中實(shí)現(xiàn)。

3 硬件設(shè)計(jì)的fpga實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于矢量控制的高性能異步電機(jī)速度控制器設(shè)計(jì)電路中的所有模塊均用硬件語(yǔ)言vhdl進(jìn)行描述。在源代碼通過(guò)功能仿真與時(shí)序仿真測(cè)試后,再經(jīng)過(guò) synplify軟件綜合生成edf網(wǎng)表文件,最后在xilinx的fpga(spartanⅱe一xc2s300e)器件中實(shí)現(xiàn),其中器件的布局和布線在xilinx集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ise5.li中完成。系統(tǒng)資源利用情況如表1所示,整個(gè)設(shè)計(jì)消耗的等效門(mén)數(shù)約為350 000,基本接近飽和。若考慮到將來(lái)的功能擴(kuò)展,則需要容量更大的芯片,但現(xiàn)有設(shè)計(jì)可重復(fù)利用,無(wú)需作較大的修改[7]。

本設(shè)計(jì)中異步電機(jī)速度控制器ic系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率可以運(yùn)行在33.33mhz下,并且可以通過(guò)上位機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部寄存器來(lái)設(shè)置控制系統(tǒng)中的各種有關(guān)參數(shù)。這種ic芯片既可以與tms320l2812 dsp及其他電路共同構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)位置隨動(dòng)控制,也可以單獨(dú)構(gòu)成速度隨動(dòng)控制系統(tǒng)。

在測(cè)試速度控制器性能的實(shí)驗(yàn)中,驅(qū)動(dòng)對(duì)象是一臺(tái)最高轉(zhuǎn)速為4 900r/min、編碼器線數(shù)為4 900的1.5kw的異步電動(dòng)機(jī),且開(kāi)關(guān)頻率與采樣頻率均設(shè)為12khz。圖8和圖9所示的是在不同轉(zhuǎn)速指令下所測(cè)得的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子速度跟蹤曲線和α軸電流響應(yīng)曲線。圖8中的轉(zhuǎn)速指令為從0～1168r/min的階躍輸入,動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不到0.5ms,最大超調(diào)量低于0.8%,穩(wěn)態(tài)誤差小于0.02%;圖9中的轉(zhuǎn)速指令為斜坡輸入,加速度為0.42 r/min/采樣,目標(biāo)速度為495r/min,動(dòng)態(tài)跟蹤誤差在4%以?xún)?nèi),穩(wěn)態(tài)誤差約為0.03%。若進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率和采樣頻率,則控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能將會(huì)更加優(yōu)良[8]。

單片集成、混合集成和系統(tǒng)集成可看成是電力電子集成的不同層次和形式,現(xiàn)階段單片集成局限于小功率范圍;中功率領(lǐng)域多采用混合集成或混合集成與系統(tǒng)集成相結(jié)合的形式;大功率領(lǐng)域仍以系統(tǒng)集成為主。單片集成和混合集成由于具有更高的集成度和更好的性能,因此是未來(lái)集成技術(shù)的主要發(fā)展方向[9]。

本文所設(shè)計(jì)的基于fpga的異步電機(jī)變頻調(diào)速專(zhuān)用ic,內(nèi)部集成了clarke變換、park 變換、park逆變換、速度pi調(diào)節(jié)、電流d軸pi調(diào)節(jié)、電流q軸pi調(diào)節(jié)、對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈定位和速度檢測(cè)、電壓空間矢量脈寬調(diào)制及pwm波形發(fā)生等算法,速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的采樣頻率分別可以達(dá)到35khz和20khz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該專(zhuān)用控制器在運(yùn)行時(shí)有著良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。該專(zhuān)用ic已經(jīng)在高性能集成數(shù)控系統(tǒng)中獲得應(yīng)用,并取得了很好的實(shí)踐效果,對(duì)研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的矢量控制異步電機(jī)變頻調(diào)速專(zhuān)用芯片有著十分重要的參考價(jià)值。