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交流異步電動(dòng)機調速系統的矢量控制技術(shù)是上世紀70年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型控制技術(shù)，它通過(guò)矢量的坐標變換使交流異步電動(dòng)機獲得如同直流電動(dòng)機一樣良好的動(dòng)靜態(tài)調速特性。由于交流異步電動(dòng)機是非線(xiàn)性、強耦合、多變量的時(shí)變參數系統，對其進(jìn)行控制較為復雜，通過(guò)普通的單片機難以實(shí)現較好的實(shí)時(shí)性和快速性控制的效果。隨著(zhù)數字信號處理器(DSP)的推出，全面數字化的交流調速系統發(fā)展十分迅速。TMS320LF2407A是TI公司專(zhuān)為電機控制設計的高性能、低價(jià)位的定點(diǎn)DSP芯片，以16位定點(diǎn)CPU為內核，配置了較完備的外圍設備，形成了真正的單芯片控制器。為了有效管理多任務(wù)并滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求，需要使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。μc／OS-Ⅱ是一個(gè)源代碼開(kāi)放的實(shí)時(shí)操作系統，具有可剝奪實(shí)時(shí)內核、可移植性強、多任務(wù)、執行時(shí)間可確定性等特點(diǎn)。 1 矢量控制系統的基本原理 交流異步電動(dòng)機的矢量控制系統是按磁場(chǎng)定向的矢量控制系統。其基本思想是模擬直流電動(dòng)機控制，在遵循磁勢和功率不變的原則下，利用坐標變換將交流電動(dòng)機的三相系統等效為直流電動(dòng)機的兩相系統，經(jīng)過(guò)按轉子磁場(chǎng)定向的同步旋轉變換，實(shí)現對定子電流勵磁分量和轉矩分量之間的解耦，從而達到分別控制交流異步電動(dòng)機的磁鏈和轉矩的目的。 1.1 矢量坐標變換 Clarke變換是將三相平而坐標系OABC向兩相平面直角坐標系Oαβ的轉換。其變換和逆變換矩陣分別為： Park變換是將兩相靜止直角坐標系Oαβ向兩相旋轉直角坐標系OMT的轉換。其變換和逆變換矩陣分別為： 式中，φS為M軸與α軸的夾角。 1.2 轉子磁鏈位置的計算 交流異步電動(dòng)機的轉子機械轉速不等于轉予磁鏈轉速，因此，不能通過(guò)佗置傳感器或速度傳感器直接檢測到交流異步電動(dòng)機的轉子磁鏈位置，而需要在OMT坐標系中，通過(guò)對電動(dòng)機的電流模型得出： 進(jìn)行離散化處理，得到下式： 式中，K為常數327.68。 由式(7)、(8)、(9)即可求出轉子磁鏈的位置θ。 1.3 矢量控制系統分析 該系統是采用轉速和電流雙閉環(huán)控制的矢量控制系統，原理圖如圖1所示。 通過(guò)霍爾傳感器測量智能功率模塊(IPM)輸出的定子電流iA、iB，經(jīng)過(guò)DSP的A／D轉換器轉換成數字量，并利用式iC=-(iA+iB)計算出iC。通過(guò)Clarke變換和Park變換將電流iA、iB、iC變換成旋轉坐標系中的直流分量iM、iT，iM、iT作為電流環(huán)的負反饋量。利用1024線(xiàn)的增量式編碼器測量電動(dòng)機的機械轉角位移，并將其轉換成轉速n。轉速n作為速度環(huán)的負反饋量。由于交流異步電動(dòng)機的轉子機械轉速與轉子磁鏈轉速不同步，所以用電流一磁鏈位置轉換模塊求出轉子磁鏈位置，用于參與Park變換和逆變換的計算。 給定轉速n*與轉速反饋量n的偏差，經(jīng)過(guò)速度PI調節器輸出用于轉矩控制的電流T軸參考分量iT*。iT*和iM*(設為零值)與電流反饋量iT、iM偏差經(jīng)過(guò)電流PI調節器，分別輸出M、T旋轉坐標系的相電壓分量VM*、VT*。VM*、VT*再通過(guò)Park逆變換轉換成α、β直角坐標系的定子相電壓欠量的分量Vα*、Vβ*。當定子相電壓矢量的分量Vα*、Vβ*和其所在的扇區數已知時(shí)，就可以利用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號來(lái)控制智能功率模塊6個(gè)橋臂的通斷。 以上過(guò)程可以采用軟件實(shí)現，從而對交流異步電動(dòng)機實(shí)施全數字實(shí)時(shí)控制。 2 系統的硬件設計 系統采用交-直-交電壓源型變頻電路，主電路由整流電路、濾波電路以及智能功率模塊(1PM)逆變電路構成，控制電路以DSP芯片TMS320LF2407A為核心，輔以電流電壓信號采集、速度檢測、過(guò)壓過(guò)流保護、人機接口以及上位機通信等單元，從而構成功能齊全的全數字矢量控制系統。 該系統的參數由上位機通過(guò)RS232接口下傳給下位機，DSP負責采樣各相電流、計算電動(dòng)機的轉速和位置，最后運用矢量控制算法得到電壓空間矢量SVPWM控制信號，經(jīng)過(guò)隔離光耦HCPL4504，驅動(dòng)逆變器功率開(kāi)關(guān)器件；同時(shí)DSP還監控變頻調速系統的運行狀態(tài)，當系統出現短路、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等故障時(shí)，DSP將封鎖SVPWM信號使電動(dòng)機停機，并通過(guò)LCD進(jìn)行顯示。系統結構如圖2所示。 下位機控制的核心芯片采用TMS320LF2407A，其主頻為40MHz。關(guān)于該芯片的介紹，詳見(jiàn)參考文獻。下面簡(jiǎn)述系統的主要硬件模塊。 2.1 智能功率模塊IPM 系統使用的IPM是三菱公司生產(chǎn)的PM25RSA120。它由7個(gè)IGBT單元封裝，額定電壓為1 200V，額定電流為25A。IPM與普通IGBT模塊相比，在系統性能和可靠性上有進(jìn)一步的提高，使設計和開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單。由于IPM通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗都比較低，使得散熱器尺寸減小，因而系統尺寸也減小。尤其是IPM集成了驅動(dòng)和保護電路，使系統的硬件電路簡(jiǎn)單可靠，并提高了故障情況下的自保護能力。IPM模塊內置保護功能有：控制電源欠壓鎖定、過(guò)熱保護、過(guò)流保護、短路保護。如果IPM模塊中有一種保護電路動(dòng)作，則IGBT柵驅動(dòng)單元就會(huì )關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號。 2.2 電流信號采集模塊 用CSM025A型號的磁平衡式霍爾電流傳感器(簡(jiǎn)稱(chēng)LEM)檢測三相輸出中的二相電流iA、iB，通過(guò)計算得出 第3相電流iC=-(iA+iB)，從而獲得實(shí)時(shí)的輸出電流信號，為矢量控制提供實(shí)時(shí)信號。因為T(mén)MS320LF2407A片內集成的模數轉換模塊ADC的輸入必須為0～3.3V，所以應將LEM輸出的電流信號通過(guò)采樣電阻轉換為符合要求的電壓信號，放大濾波后接ADC口。 2.3 轉子位置檢測模塊 系統采用的增量式光電編碼器每轉可產(chǎn)生1 024個(gè)脈沖。其輸出A、B信號線(xiàn)直接接人DSP的編碼器接口QEP1和QEP2引腳。DSP的正交編碼脈沖電路自動(dòng)利用每個(gè)A、B信號脈沖的4個(gè)沿(2個(gè)上升沿和2個(gè)下降沿)對輸入信號4倍頻，這樣就可以使每轉得到4 096個(gè)脈沖，提高了分辨率。此外，還對電動(dòng)機的運動(dòng)方向進(jìn)行判別，由一個(gè)16位的計數器對脈沖信號計數，并計算出當前時(shí)刻的轉子位置角度。 2.4 人機接口模塊 利用DSP的I／O口及中斷方式，管理點(diǎn)陣圖形式FYD12864-0402B液晶顯示器與4個(gè)按鍵，實(shí)現菜單式人機交互。該模塊可實(shí)現系統的參數設定、檢測結果顯示以及保護報警信號顯示等功能。 3 系統軟件設計 μC／OS-Ⅱ是一個(gè)內核很小的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，整個(gè)代碼可分為內核層和移植層，從而更便于移植。它采用搶占式調度策略，保證任務(wù)的實(shí)時(shí)性；能夠管理多達64個(gè)任務(wù)；提供了郵箱、消息隊列、信號量、內存管理、時(shí)間管理等系統服務(wù)。同時(shí)，它又是一個(gè)開(kāi)放源代碼的操作系統，使得該系統升級和日后的維護都非常方便。μC／OS-Ⅱ的內核采用標準的C語(yǔ)言代碼編寫(xiě)，易于移植到各種微處理器上。 交流異步電動(dòng)機矢量控制系統中的各種功能可以劃分為不同優(yōu)先級的任務(wù)，通過(guò)實(shí)時(shí)操作系統實(shí)現對所有任務(wù)的調度管理，解決在單任務(wù)中難以處理的實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，同時(shí)又可以增強系統工作的可靠性。 要將μC／OS-Ⅱ應用于該系統，必須先移植到TMS320LF2407A中。移植工作主要有以下幾個(gè)部分：(1)在OS_CPU.H中定義數據類(lèi)型和開(kāi)／關(guān)中斷函數以屏蔽編譯器和處理器；定義堆棧的增長(cháng)方向；定義任務(wù)切換函數。(2)在OS-CPU.C中，用C嵌入匯編語(yǔ)言編寫(xiě)以下函數：OSTaskstkInit( )、OSCtxSw( )、OSStartHighRdy ( )、OSIntCtxSw( )、OSTicksr( )、OSTaskCreateHook( )、OSTaskSw-Hook( )、OSTaskDelHook( )、OSTaskstatHook ( )和OSTimeTickHook()。任務(wù)的全部信息都保存在相對應的任務(wù)控制塊和堆棧中，因此任務(wù)的切換要處理任務(wù)控制塊和堆棧。涉及任務(wù)控制塊的工作是：(2)保存被切換任務(wù)的堆棧指針到當前任務(wù)控制塊；(2)將當前任務(wù)控制塊指向最高任務(wù)控制塊；(3)取出當前任務(wù)塊存儲的堆棧地址。 根據系統所要實(shí)現的功能，可將整個(gè)系統劃分為以下幾個(gè)并行存在的任務(wù)：信號采集、電動(dòng)運行、再生制動(dòng)、狀態(tài)顯示。另外還設計了2個(gè)中斷子程序，用于實(shí)現4個(gè)按鍵的輸入及智能功率模塊IPM對短路、過(guò)流、過(guò)壓、欠流、欠壓等情況的保護功能。每個(gè)任務(wù)都分配了優(yōu)先級和內存空間。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級應越高，數值越小表示優(yōu)先級越高。再生制動(dòng)任務(wù)優(yōu)先級設為最高，因為該任務(wù)實(shí)時(shí)性最高，若不能及時(shí)啟動(dòng)或過(guò)早結束均會(huì )對系統造成損害；信號采集任務(wù)運行最頻繁，為其他任務(wù)提供可靠必需的參數，故設其優(yōu)先級為次高；顯示任務(wù)實(shí)現菜單和控制參數的顯示，人機交互，對控制器性能沒(méi)有直接影響，優(yōu)先級設為最低；電動(dòng)運行任務(wù)是常規狀態(tài)，優(yōu)先級設為次低。該系統采用靜態(tài)優(yōu)先權，即運行過(guò)程中任務(wù)優(yōu)先權不變。各任務(wù)之間的通信通過(guò)信號量進(jìn)行，故應使OS_SEM_EN=1。 在該嵌入式實(shí)時(shí)操作系統下編寫(xiě)的DSP軟件流程非常簡(jiǎn)單易讀，其具體流程圖如圖3所示。 電動(dòng)運行任務(wù)是系統中最主要的任務(wù)，它接收郵箱或消息隊列傳遞過(guò)來(lái)的消息，實(shí)現控制算法的在線(xiàn)調節，控制電機的加減速及勻速運行。其程序流程如圖4所示。 4 試驗結果 系統的試驗對象是一臺鼠籠式交流異步電動(dòng)機，具體參數為：額定功率0.6kW、額定電流2.75A、額定電壓220V、額定轉速1400r／min。分負載與空載兩種情況做試驗，設定頻率為50Hz，用數字示波器測量異步電機定子的相電流，測量得到的相電流波形如圖5、圖6所示。設定頻率為40Hz時(shí)，對從空載到負載的轉速和相電流進(jìn)行觀(guān)察，波形如圖7所示。 從示波器存儲截圖中可以看出，在空載與負載的情況下，調速范圍寬、靜差率小，其性能優(yōu)于一般的直流調速系統；相電流幾乎接近正弦波，實(shí)現了恒轉矩控制。當電動(dòng)機的負載轉矩突然增加時(shí)，電動(dòng)機的相電流和轉速響應很快，穩態(tài)誤差接近4％。由此可見(jiàn)系統具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能。 該系統給出了交流異步電動(dòng)機矢量控制技術(shù)基于DSP的嵌入式實(shí)時(shí)解決方案。試驗結果證明了交流調速系統在運用了矢量控制技術(shù)后，具有動(dòng)靜態(tài)性能好、抗干擾能力強、保護功能完善等特點(diǎn)。此外，將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統移植到控制器中，增強了系統的實(shí)時(shí)性及可靠性。 |
