基于矢量控制的高性能異步電機速度控制器的設計

　　摘　要：由于異步電機的矢量控制算法比較復雜,要達到高性能的目的,必須利用雙DSP,使其系統的整體性?xún)r(jià)比下降。為解決這一問(wèn)題,本文利用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA),設計一種智能控制器來(lái)完成一系列復雜控制算法,實(shí)現了異步電機矢量控制速度控制器的專(zhuān)用集成電路。該電路對研制具有自主知識產(chǎn)權的矢量控制異步電機變頻調速專(zhuān)用芯片有著(zhù)十分重要的意義。 
　　關(guān)鍵詞：異步電機 矢量控制 現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 智能控制器 控制算法 

　　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[1][2]。  

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[3]。 
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

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