摘要：選取電壓模型為基礎，引入?yún)⒖贾笛a償策略保證電機在低速運行時可準確測得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。硬件方面設計了由雙DSP控制板和兩電平逆變器組成的電機控制系統(tǒng)。在TMS320LF2407A和TMS320VC33組成的雙DSP控制板中，TMS320VC33的高浮點計算能力解決了編程和計算精度的問題，利用TMS320LF2407A自身的硬件特點實現(xiàn)快速通信、采樣等功能。
關鍵詞：異步電機；傳感器；矢量控制；磁通觀測
1 引言
在高性能的異步電機矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速信息的獲取必不可少。電機速度信息的辨識方法分為直接法和間接法。前者通過電子式或機電式速度傳感器來獲取電機速度信息，通常分為M法和T法來進行測速；后者通過測量電機的定子電流、定子電壓等信號，根據(jù)電機的模型間接估計辨識電機的轉(zhuǎn)速信息。然而由于速度傳感器的安裝給系統(tǒng)帶來了如成本增加，易受干擾，適應性差，加大電機體積和軸向尺寸等問題，因此對無速度傳感器轉(zhuǎn)速估算方法的研究成為高性能交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。使用無速度傳感器控制方案，無需速度檢測硬件，避免了速度傳感器帶來的諸多問題，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了系統(tǒng)成本，同時，減小了系統(tǒng)體積和重量，減少了電機與控制器的連線，使采用無速度傳感器的交流電機調(diào)速系統(tǒng)在工程中的應用更廣泛。
2 控制原理
異步電機是一種多輸入、多輸出、非線性、強耦合系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩表達式為：
Te=KITφmI2cosφ2 (1)
式中：KIT為與電機參數(shù)有關的常數(shù)；φm為電機氣隙磁通有效值；I2cosφ2為電機轉(zhuǎn)子電流有功分量。
由式(1)可見，感應電機的Te與定子電流無直接關系，并且電機的三相定子電流既要產(chǎn)生電機中的旋轉(zhuǎn)磁場，又要產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，定子電流的激磁分量和轉(zhuǎn)矩分量又與電機的設計情況和負載有關，很難將兩者區(qū)分開。考慮到電機的動態(tài)過程，情況將更加復雜，因此異步電機要想將勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分開比較困難，而矢量控制則解決了此問題。
由異步電機的數(shù)學模型出發(fā)，經(jīng)過坐標變換，得到轉(zhuǎn)子磁場定向坐標系中的異步電機模型。
定、轉(zhuǎn)子電壓、電流方程(標量形式)為：
整理轉(zhuǎn)子d軸電壓方程得到轉(zhuǎn)子磁場定向下的磁鏈模型為：
由轉(zhuǎn)子磁場定向磁鏈模型可見：ψr和定子電流d軸分量isd之間為一階環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)。在穩(wěn)態(tài)時，ψr的大小完全取決于isd的大小，控制isd即可獲得所需的ψr。由式(3)可見，當ψr恒定時，Tem由定子電流q軸分量isq決定?？刂苅sd，isq就可以獨立地控制ψr和Tem從而實現(xiàn)二者解耦控制，使控制系統(tǒng)簡化。
基于上述交流異步電機的無速度傳感器矢量控制框圖如圖1所示。
圖中檢測的電機電流經(jīng)過3／2變換，變換后isα，isβ為α，β坐標系下的電機定子電流。同時逆變器發(fā)出的電壓usα，usβ進入磁鏈觀測模塊，isα，isβ同時進入旋轉(zhuǎn)坐標變換模塊得到同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標系下的電機定子電流isd，isq。isd進入磁鏈觀測模塊，通過磁鏈觀測模塊的計算得到估計的電機同步轉(zhuǎn)速。給定磁鏈ψr*和給定的電機力矩電流isq*進入滑差計算模塊得到滑差轉(zhuǎn)速經(jīng)減法器計算出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速再經(jīng)過低通濾波器(LPF)濾波得到估計的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速ωr*經(jīng)過減法器，再經(jīng)過速度控制器輸出指令電機轉(zhuǎn)矩經(jīng)過轉(zhuǎn)矩電流計算模塊，計算出isq*。ψr*經(jīng)過磁場計算模塊計算出給定的電機磁場電流isd*。isq*與檢測的電機力矩電流isq進入減法器，再經(jīng)電流控制器產(chǎn)生給定的電機力矩電壓。isd*與檢測的電機磁場電流isd進入減法器，再經(jīng)電流控制器產(chǎn)生給定的電機磁場電壓。給定的電機力矩電壓和給定的電機磁場電壓分別加上補償電壓，進入旋轉(zhuǎn)變換模塊，通過電壓變換模塊，施加到三相感應電機上。
根據(jù)上述分析，要想實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向控制，必須知道轉(zhuǎn)子磁鏈；另外由轉(zhuǎn)速計算公式可知，要想計算轉(zhuǎn)速，也必須觀測磁鏈，知道了磁鏈角度就可計算同步頻率和轉(zhuǎn)矩電流，用轉(zhuǎn)矩電流和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值可計算滑差頻率，同步頻率減去滑差頻率就可得到轉(zhuǎn)速。因此，要實現(xiàn)無速度傳感器矢量控制，首先要準確觀測磁鏈。
3 磁鏈觀測
靜止坐標系中的電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈模型為：
電壓模型可以根據(jù)加在電機上的電壓與電機電流經(jīng)過積分計算估計出轉(zhuǎn)子磁鏈。該模型框圖如圖2所示。
電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型高速性能較好，但在低速時因為電機產(chǎn)生的反電動勢較小，檢測信號的信噪比較低，在此基礎上計算得到的轉(zhuǎn)子磁鏈不太準確，而且存在積分器漂移問題。
該問題解決方案為將輸出結(jié)果再通過一個高通濾波器s／(s+ωc)將低頻成份和直流漂移濾掉。
式中：ωc為截止頻率；x為系統(tǒng)輸入；y為系統(tǒng)輸出；1／s為純積分環(huán)節(jié)。
由式(8)可知，純積分和一階高通濾波的組合可等效為一階慣性環(huán)節(jié)。但高通濾波器的引入帶來了磁鏈檢測的幅值和相位的誤差。為了補償磁鏈的幅值和相位變化，同時還要使積分穩(wěn)定，在此采用了以下改進方法。
以滯后環(huán)節(jié)1／(s+ω)代替純積分環(huán)節(jié)，并引入轉(zhuǎn)子磁鏈參考值ψr*作為幅值和相位誤差的補償，從而得到一種改進的電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型如圖3所示。
在參數(shù)準確的情況下，實際磁鏈ψr=er／s，觀測磁鏈可表示為：
式中：er為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的反電動勢，er=Lr(us-Rsis-Lσpis)／Lm。
可見，在參數(shù)準確情況下，如果ψr*=ψr，式(9)右邊第2項為零，于是有，所以改進型電壓模型可以做到無幅值和相位誤差。因此，這種改進型電壓轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型可以在極低速的情況下得出比較準確的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測結(jié)果。另外，當TL取為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr時，由電機的定子電阻參數(shù)誤差帶來的磁鏈相位誤差可以在低速時降到一個很低的水平。
改進型電壓模型的反電勢輸入端經(jīng)過的不是純積分環(huán)節(jié)，故在實際應用中沒有純積分環(huán)節(jié)的初值和漂移問題。該方法還有一個特點：當濾波時間常數(shù)ω取為與Tr相等時，觀測磁鏈的角度在零轉(zhuǎn)速附近對定子電阻的誤差有魯棒性。
4 硬件構(gòu)成
雙DSP數(shù)字化開發(fā)平臺控制板以TMS320VC33作為系統(tǒng)的計算核心，TMS320LF2407A作為系統(tǒng)的控制核心，兩個DSP處理器之間通過雙口RAM
進行數(shù)據(jù)交換，并采用CPLD為程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器以及I／O口進行地址譯碼和讀寫控制。
5 試驗
利用試驗來驗證所提出的無速度傳感器矢量控制測速方法的正確性。其中試驗電機參數(shù)：額定功率2．2 kW，額定線電壓380V，額定電流為5 A，額定頻率為50 Hz，額定轉(zhuǎn)速為l 420 r·min-1，極對數(shù)為2，定子電阻2．54 Ω，定子漏感11．6279mH，轉(zhuǎn)子電阻1．798 Ω，轉(zhuǎn)子漏感11．627 9 mH，勵磁電阻3．91 Ω，勵磁電感235．071 8 mH。
圖4為濾波前后估計同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速ωs波形。濾波后=31．423 9 rad·s-1，ωs=30．230 8 rad·s-1。轉(zhuǎn)差為1．193 1 rad·s-1。同步轉(zhuǎn)速給定為5 Hz轉(zhuǎn)換為角速度31．415 9 rad·s-1。同步轉(zhuǎn)速估計誤差為0．292 rad·s-1，相對誤差0．93％。圖5示出轉(zhuǎn)速5 Hz時實際轉(zhuǎn)速和估計轉(zhuǎn)速對比。由圖可知，在轉(zhuǎn)子頻率5Hz時，電角度為62．8rad·s-1，估計轉(zhuǎn)速誤差最大為0．68rad·s-1，相對誤差為1．08％。
6 結(jié)論
采用TMS320LF2407A和TMS320VC33組成的雙DSP系統(tǒng)為硬件基礎，基本思想是利用改進型電壓模型，實現(xiàn)同積分運算等效的幅值和相位特性。電機穩(wěn)態(tài)工作時，轉(zhuǎn)子反電動勢信號是正弦波形。而一個頻率為ω的理想正弦信號在經(jīng)過積分環(huán)節(jié)運算后，輸出相位滯后π／2，幅值變?yōu)樵瓉淼?／ω倍。
從試驗中可知，觀測得到的磁鏈與轉(zhuǎn)子反電動勢信號在輸出相位上與通過純積分環(huán)節(jié)得到的相位仍有一點偏差，故還需要對補償環(huán)節(jié)上進行進一步研究，如何使其補償相位完全等效于積分的效果。由試驗結(jié)果可見，5 Hz時的轉(zhuǎn)速估算誤差很低，驗證了所提理論的正確性。
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