基于空間脈寬調(diào)制技術(shù)的異步電機無速度傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計

中心議題：

• 空間脈寬調(diào)制原理
• 無速度傳感器控制原理
• 空間脈寬調(diào)制技術(shù)的無速度傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計

解決方案：

• 無速度傳感器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
• 無速度傳感器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

傳統(tǒng)的異步電動機控制系統(tǒng)中的測量裝置較多采用光電數(shù)字脈沖編碼器，而它在使用的過程中易受到干擾，降低了系統(tǒng)的可靠性，且不適用于惡劣的工況環(huán)境。針對以上缺點，本文提出了空間脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)的無速度傳感器控制，利用現(xiàn)代的數(shù)字信號處理技術(shù)，使得復(fù)雜的磁鏈和轉(zhuǎn)速控制得以實現(xiàn)。并基于DSPTMS320F2812實現(xiàn)了異步電機無速度傳感器的矢量控制。

1空間脈寬調(diào)制原理

對異步電動機而言，加載到定子上的三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子的感應(yīng)磁場交互作用產(chǎn)生扭矩而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。空間脈寬調(diào)制是將定子的三相電流矢量由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成兩個等效且正交的分量，其中一相相當(dāng)于磁場電流，另一相則相當(dāng)于扭矩電流。空間矢量控制在于控制定子的三相電流的大小、頻率和相位，使其磁場分量維持在最大容許值，調(diào)節(jié)扭矩電流分量來控制扭矩的大小。并通過控制逆變器的開關(guān)模式，使電機的定子電壓空間矢量沿圓形軌跡運動，從而明顯降低轉(zhuǎn)矩脈動。常用的三相電壓源逆變主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1三相電壓源逆變電路結(jié)構(gòu)圖

三相逆變器共有8種開關(guān)狀態(tài)(上橋臂導(dǎo)通開關(guān)狀態(tài)為1，下橋臂導(dǎo)通開關(guān)狀態(tài)為0)，

無速度傳感器的矢量控制就是通過檢測異步電機的相電流和相電壓，采用一定的觀測技術(shù)觀測出異步電機的轉(zhuǎn)速，作為矢量控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)速反饋。如圖3所示。

圖3控制原理系統(tǒng)框圖

2.1轉(zhuǎn)子磁鏈估計
在轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確估計和控制是影響電機控制性能的關(guān)鍵因素之一。轉(zhuǎn)子磁鏈估計有電壓型和電流型兩種。傳統(tǒng)的電壓模型算法簡單，受電機參數(shù)變化影響小，但低速時觀測精確度較低而且純積分環(huán)節(jié)的誤差積累和漂移問題嚴(yán)重。傳統(tǒng)的電流模型不涉及純積分項，低速的觀測性能強于電壓模型法，但高速時不如后者，而且受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)影響較大。

本文將電壓模型和電流模型結(jié)合起來估算轉(zhuǎn)子磁鏈，對電流模型計算的磁鏈進(jìn)行PI運算，再用PI運算的結(jié)果補償電壓模型的磁鏈，通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)的值，使得在高速時電壓模型起主要作用，低速時使電流模型起主要作用，克服了它們的缺點，提高估算的準(zhǔn)確性。

轉(zhuǎn)子磁場定向控制中，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系中的電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈方程分別如式(2)，式(3)所示：


根據(jù)電壓模型定子磁鏈可以計算得到電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈：


2.2轉(zhuǎn)速估計原理
無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速根據(jù)磁鏈估計模型輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行估計得到。磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系如式(9)所示：


3控制系統(tǒng)設(shè)計

基于無速度傳感器矢量控制原理，選用TMS320F2812作為核心控制器設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件，在CCS2000的編譯平臺上實現(xiàn)了軟件程序編寫。

3.1硬件設(shè)計
無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)也是由主電路和控制電路組成。系統(tǒng)以IGBT功率器件構(gòu)成三相逆變電路。由整流電路、濾波電路、驅(qū)動保護(hù)電路和IGBT共同構(gòu)成交一直一交電壓型通用變頻器主電路。以TMS320F2812為核心構(gòu)成控制核心，DSP負(fù)責(zé)采樣電機三相電流、實現(xiàn)無速度傳感器矢量控制的算法、最后輸出PWM驅(qū)動三相逆變橋工作。系統(tǒng)硬件的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4硬件整體框架

采用大功率IGBT并聯(lián)結(jié)構(gòu),IR21363S作為PWM驅(qū)動芯片，有三個獨立的高壓側(cè)和低壓側(cè)輸出信號，可以同時輸出六路PWM信號，PWM工作頻率可達(dá)500kHZ,具有欠壓和過電流保護(hù)功能。采用霍爾和磁環(huán)配合檢測異步電機兩相電流，通過電阻分壓方式檢測直流母線電壓，并通過RC濾波電路濾波，提高了AD采樣的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)工作的可靠性。

3.2軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，主要包括主程序、定時器下溢終端子程序，具體程序流程圖如圖5、圖6所示：


4結(jié)論

隨著各種控制理論，數(shù)字信號處理器(DSP)的發(fā)展以及它們在電機控制中的廣泛應(yīng)用，電機的控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了全新的階段。通過本文的研究可以看出，以TMS320F2812為核心的無刷直流電機控制系統(tǒng)控制精度高、實時性強、系統(tǒng)的功耗低，并且可以實現(xiàn)的控制功能非常豐富，這些都是傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)所無法比擬的，充分體現(xiàn)了DSP控制的優(yōu)越性。