基于矢量控制的高性能異步電機(jī)速度控制器的設(shè)計(jì)

　　摘　要：由于異步電機(jī)的矢量控制算法比較復(fù)雜,要達(dá)到高性能的目的,必須利用雙DSP,使其系統(tǒng)的整體性?xún)r(jià)比下降。為解決這一問(wèn)題,本文利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA),設(shè)計(jì)一種智能控制器來(lái)完成一系列復(fù)雜控制算法,實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)矢量控制速度控制器的專(zhuān)用集成電路。該電路對(duì)研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的矢量控制異步電機(jī)變頻調(diào)速專(zhuān)用芯片有著十分重要的意義。 
　　關(guān)鍵詞：異步電機(jī) 矢量控制 現(xiàn)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(duì)控制系統(tǒng)的基本要求,最初的電機(jī)控制都是采用分立元件的模擬電路。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,以脈寬調(diào)制(PWM)為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制中。在數(shù)字化趨勢(shì)廣泛流行的今天,集成電路甚至電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路已大量應(yīng)用在電機(jī)控制中。特別是最近幾年興起一種全新的設(shè)計(jì)思想,即基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)。該技術(shù)可以應(yīng)用于基于矢量控制的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中。FPGA本身是標(biāo)準(zhǔn)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(jù)自己的需要,通過(guò)專(zhuān)門(mén)的布局布線(xiàn)工具對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行編程,在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出自己的專(zhuān)用集成電路,從而大大地提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)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(tǒng)可以達(dá)到很高的性能。這種設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí),一般把電流控制作為DSP 的協(xié)處理,轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子磁鏈算法由DSP 主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(jié)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(xiàn)速度控制,又可以對(duì)電流單獨(dú)控制,還可以和DSP共同構(gòu)成位置控制系統(tǒng)。如圖1所示,若FPGA中集成有CPU內(nèi)核,則可以把位置、速度、電流3種算法完全由1片F(xiàn)PGA來(lái)實(shí)現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)真正的片上系統(tǒng)[1][2]。  

圖1 異步電機(jī)速度控制器系統(tǒng)的集成化結(jié)構(gòu)

圖2 三相繞組與二相繞組的軸線(xiàn)設(shè)定
　　FPGA將半定制器件邏輯集成度高的優(yōu)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合在一起后,具有結(jié)構(gòu)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(cè)試和可實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計(jì)的基本思想,研究電流矢量控制、速度PI調(diào)節(jié)、電流 PI調(diào)節(jié)、反饋速度測(cè)量、電流磁鏈轉(zhuǎn)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(shù)字結(jié)構(gòu),并在單片Xilinx FPGA 中完成了主要模塊的布局布線(xiàn),實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)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(shè)異步電機(jī)三相繞組(A、B、C)與二相繞組(α、β)的軸線(xiàn)設(shè)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(biāo),分別對(duì)應(yīng)的交流電流為iA、iB、iC和iα、iβ。采用磁勢(shì)分布和功率不變的絕對(duì)變換,三相交流電流在空間產(chǎn)生的磁勢(shì)F與二相交流電流產(chǎn)生的磁勢(shì)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(biāo)系(α,β)到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)的變換稱(chēng)為Park變換。α、β為靜止坐標(biāo)系,d-q為任意角速度ω旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。當(dāng)α、β靜止坐標(biāo)系變換為d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系時(shí),坐標(biāo)軸的設(shè)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(biāo)以同步轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn),則產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與α-β坐標(biāo)系等效。d-q和α-β軸的夾角θ是一個(gè)變量,隨負(fù)載、轉(zhuǎn)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(biāo)

圖4 速度控制器的數(shù)據(jù)路徑

　　電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)都是按PI控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)的,式(5)為雙線(xiàn)性變換PI調(diào)節(jié)器的迭代公式。 
　　O[n]=P[n]+I[n]                        (5) 
　　其中比例項(xiàng)迭代公式為: 
　　P[n]=Kp