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可靠性和實(shí)時(shí)性是對控制系統的基本要求,最初的電機控制都是采用分立元件的模擬電路。隨著(zhù)電子技術(shù)的進(jìn)步,以脈寬調制(PWM)為基礎的變頻調速技術(shù)已廣泛應用于電機控制中。在數字化趨勢廣泛流行的今天,集成電路甚至電機控制專(zhuān)用集成電路已大量應用在電機控制中。特別是最近幾年興起一種全新的設計思想,即基于現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的硬件實(shí)現技術(shù)。該技術(shù)可以應用于基于矢量控制的異步電機變頻調速系統中。FPGA本身是標準的單元陣列,沒(méi)有一般的IC所具有的功能,但用戶(hù)可以根據自己的需要,通過(guò)專(zhuān)門(mén)的布局布線(xiàn)工具對其內部進(jìn)行編程,在最短的時(shí)間內設計出自己的專(zhuān)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(jìn)行并行處理,而且不占用CPU的資源,使系統可以達到很高的性能。這種設計方法應用于異步電機矢量控制變頻調速系統時(shí),一般把電流控制作為DSP 的協(xié)處理,轉子速度和轉子磁鏈算法由DSP 主機來(lái)實(shí)現。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)現速度控制,又可以對電流單獨控制,還可以和DSP共同構成位置控制系統。如圖1所示,若FPGA中集成有CPU內核,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,從而實(shí)現真正的片上系統。 圖1 異步電機速度控制器系統的集成化結構 圖2 三相繞組與二相繞組的軸線(xiàn)設定 FPGA將半定制器件邏輯集成度高的優(yōu)點(diǎn)與標準邏輯器件開(kāi)發(fā)周期短和開(kāi)發(fā)成本低的優(yōu)點(diǎn)結合在一起后,具有結構靈活、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)需測試和可實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢驗等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的異步電動(dòng)機矢量控制調速系統按照模塊化設計的基本思想,研究電流矢量控制、速度PI調節、電流 PI調節、反饋速度測量、電流磁鏈轉換、SVPWM、 Clarke變換、 Park變換和Park逆變換等幾個(gè)主要功能模塊的數字結構,并在單片Xilinx FPGA 中完成了主要模塊的布局布線(xiàn),實(shí)現異步電機矢量控制速度控制器的專(zhuān)用集成電路。 1 矢量控制的基本原理 設異步電機三相繞組(A、B、C)與二相繞組(α、β)的軸線(xiàn)設定如圖2所示,A相繞組軸線(xiàn)與α相繞組軸線(xiàn)重合,都是靜止坐標,分別對應的交流電流為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)到二相旋轉坐標系(d-q)的變換稱(chēng)為Park變換。α、β為靜止坐標系,d-q為任意角速度ω旋轉的旋轉坐標系。當α、β靜止坐標系變換為d-q旋轉坐標系時(shí),坐標軸的設定如圖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坐標以同步轉速ω旋轉,則產(chǎn)生的磁動(dòng)勢與α-β坐標系等效。d-q和α-β軸的夾角θ是一個(gè)變量,隨負載、轉速而變化,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: 圖3 α-β坐標 矢量控制亦稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制,其基本思路是:模擬直流電機的控制方法進(jìn)行控制,根據磁勢和功率不變的原則通過(guò)正交變換,將三相靜止坐標變換成二相靜止坐標(Clarke變換即3Φ/α-β變換,其坐標變換關(guān)系如圖2,定量關(guān)系如公式(1)),然后通過(guò)旋轉變換將二相靜止坐標變成二相旋轉坐標(Park變換,即(α-β/d-q變換,坐標變換關(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子磁場(chǎng)定向的2個(gè)直流分量id、iq(其中id為勵磁電流分量,iq為轉矩電流分量),并對其分別加以控制,控制id就相當于控制磁通,而控制iq就相當于控制轉矩。 2個(gè)直流分量id和iq分別由速度和電流PI調節器經(jīng)電流電壓變換和Clarke逆變換(坐標變換關(guān)系如圖2,定量關(guān)系如公式(2))、Park逆變換(坐標變換關(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,從而實(shí)現對異步電機的變壓變頻控制。 2 控制器的數字硬件設計 異步電機速度控制器的數字硬件設計主要包括Clarke變換、Clarke逆變換;Park變換、Park逆變換;電流PI調節模塊、速度PI調節模塊;電壓空間矢量模塊;轉子磁鏈計算模塊和速度檢測模塊等幾個(gè)不同部分。矢量控制異步電機調速系統的主電路和數據運算路徑如圖4所示。 2.1 矢量變換模塊設計 矢量變換包括相坐標以及坐標旋轉正變換和反變換,式(1)～(4)給出了相應變換的定量運算公式。其中式(1)、(2)的數字實(shí)現比較簡(jiǎn)單,1個(gè)加法器和1個(gè)乘法器就可以完成變換運算;式(3)、(4)確定的坐標旋轉正變換和逆變換,在工程實(shí)踐中可以采用查正弦表或泰勒級數展開(kāi)的方式進(jìn)行計算,從而完成相應的功能。 2.2 PI調節器模塊設計 圖4 速度控制器的數據路徑 電流內環(huán)和速度外環(huán)都是按PI控制策略進(jìn)行調節的,式(5)為雙線(xiàn)性變換PI調節器的迭代公式。 O[n]=P[n]+I[n](5) 其中比例項迭代公式為: P[n]=Kp·E[n] (6) 積分項迭代公式為: I[n]=I[n-1]+Kh(E[n]+E[n-1])(7) |
