基于DSP的異步電機矢量控制系統(tǒng)設計

0 引言
隨著現(xiàn)代控制理論、微處理技術和電力電子技術的不斷發(fā)展，基于矢量控制的高性能交流傳動系統(tǒng)得到廣泛的應用。異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標，再利用坐標變換，就可以把定子電流中的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量獨立開來分別進行控制。這就是矢量控制的出發(fā)點。SVPWM調(diào)制技術把逆變器和電機看成一個整體來處理，所得模型簡單，便于處理器實時控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲低、電壓利用率高等優(yōu)點。本文以TI公司的專用電機控制芯片TMS320F2812為核心，給出了整個異步電機矢量控制系統(tǒng)的設計方案，并通過實驗驗證了其有效性。

1 異步電機矢量控制原理
矢量控制技術自從上世紀60、70年代開始，國內(nèi)外眾多專家學者就已經(jīng)進行了潛心的研究，因此，矢量控制技術發(fā)展至今，內(nèi)容已經(jīng)非常豐富。本文只討論基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制原理。
1．1 異步電機控制的數(shù)學模型
鼠籠式異步電機在d，q兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型的電壓方程為：

其中：usd和usq分別為d，q旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子電壓；isd和isq分別為d，q旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子電流；ird和irq分別為d，q旋轉(zhuǎn)坐標系下的轉(zhuǎn)子電流；Rs和Ls分別為定子繞組的電阻與自感；Rr和Lr分別為定子繞組的電阻與自感；Lm為定轉(zhuǎn)子互感；P為微分算子；ω1為同步旋轉(zhuǎn)角頻率；ωs為轉(zhuǎn)差角頻率；
將轉(zhuǎn)子磁鏈矢量定在d軸方向上，可以推導出轉(zhuǎn)子磁鏈為：

其中：Tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)。
由式(2)可見，調(diào)節(jié)定子電流的isd分量可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁鏈ψr，而當保持該定子電流磁通分量不變時，轉(zhuǎn)子磁通保持不變。其轉(zhuǎn)矩方程為：

其中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為電機的極對數(shù)；由式(3)可見，控制定子電流isq分量可以控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te，通過該轉(zhuǎn)矩分量可以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結構，圖1所示是其控制系統(tǒng)結構原理圖。

該控制系統(tǒng)所檢測的兩相定子電流經(jīng)Clarke與Park變換后可產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩電流分量和勵磁電流分量，然后結合檢測轉(zhuǎn)速并通過電流模型計算坐標變換所需的磁鏈角。檢測轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后將生成轉(zhuǎn)矩給定值。轉(zhuǎn)矩電流分量與勵磁電流分量的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)可產(chǎn)生u小M。給定值，并在通過旋轉(zhuǎn)坐標變換后輸入SVPWM模塊以產(chǎn)生6路PWM波，從而控制逆變器。