作為交流異步電機(jī)控制的一種方式，矢量控制技術(shù)已成為高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案。矢量控制系統(tǒng)中，磁鏈的觀測(cè)直接影響到系統(tǒng)控制性能的好壞。在轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流能得到完全解耦。一般而言，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)有兩種方法：電流模型法和電壓模型法。磁鏈的電流模型觀測(cè)法中需要電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，而轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)易受溫度和磁飽和影響。為克服這些缺點(diǎn)，需要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，但這樣將使得系統(tǒng)更加的復(fù)雜。磁鏈的電壓模型觀測(cè)法中不含轉(zhuǎn)子參數(shù)，受電機(jī)參數(shù)變化的影響較小。矢量控制計(jì)算量大，要求具有一定的實(shí)時(shí)性，從而對(duì)控制芯片的運(yùn)算速度提出了更高的要求。

　　TMS320F2812是一款專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的的32位定點(diǎn)DSP芯片，具有成本低、功耗小、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代交流調(diào)速控制系統(tǒng)的芯片。本文利用TMS320LF2812DSP為控制芯片設(shè)計(jì)了一套矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)，構(gòu)建了該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了整個(gè)控制方案的可行性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及控制原理

　　1.1 交流異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

　　矢量控制的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量 （勵(lì)磁電流） 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 （轉(zhuǎn)矩電流） 分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。

　　為了分析方便，先對(duì)三相異步電機(jī)做如下理想化假定：1）、電機(jī)定轉(zhuǎn)子三相繞組完全對(duì)稱；2）、定轉(zhuǎn)子表面光滑，無(wú)齒槽效應(yīng)，定轉(zhuǎn)子每相氣隙磁動(dòng)勢(shì)在空間呈正弦分布；3）、磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計(jì)。

　　在以上條件下，經(jīng)過從靜止到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，得到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方程式如下：

　　其中為漏磁系數(shù)，τr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，Rs、Rr為電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻；Ls、Lr、Lm分別為定轉(zhuǎn)子自感和互感；p是微分算子；Usd、Usq是定子電壓在dq軸上的分量；isd、isq是定子電流在dq軸上的分量；ψsd、ψsq是定子磁鏈在dq軸上的分量。

　　1.2 交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)控制原理

　　圖1是異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制原理框圖。利用空間矢量分析法，采用磁場(chǎng)定向?qū)⒍ㄗ与娏鬟M(jìn)行CLARK變換和PARK變換（矢量變換），得到在dq坐標(biāo)系下的勵(lì)磁反饋電流isd和轉(zhuǎn)矩反饋電流isq，與給定勵(lì)磁電流isdref和轉(zhuǎn)矩電流isqref比較，再經(jīng)過PARK逆變換輸出在αβ坐標(biāo)下的電壓，用來(lái)決定空間矢量的PWM波形輸出；速度反饋一方面用于與給定速度比較產(chǎn)生isqref，另一方面進(jìn)入電流模型決定磁鏈的位置，并用于PARK和CLARK逆變換。這里在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)需要知道轉(zhuǎn)子軸的位置，即圖1中的角θ，它可根據(jù)（3）、（4）式通過定子電流矢量和電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)來(lái)獲得這一角度。

　　2 系統(tǒng)的組成及硬件和軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成：

　　圖2是由TMS320F2812作為控制芯片的電機(jī)矢量控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，整個(gè)系統(tǒng)由DSP作為主要控制元件的控制電路、用增量式光電編碼器、霍爾傳感器等組成的信號(hào)檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)隔離和保護(hù)電路等幾大部分組成；系統(tǒng)主電路采用交一直一交電壓型變頻器，主電路分為不控整流和逆變兩部分，電感和電解電容構(gòu)成低通濾波器對(duì)三相不控整流的輸出進(jìn)行濾波，為后級(jí)的逆變環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定的直流母線電壓。上臂三個(gè)單管分別使用三個(gè)獨(dú)立的電源進(jìn)行控制，當(dāng)光耦輸入無(wú)驅(qū)動(dòng)電流或驅(qū)動(dòng)電流不夠大時(shí)，光耦隔離器件不導(dǎo)通，這時(shí)IPM控制的輸入為高電平，其控制的IGBT不導(dǎo)通。Up、Vp、Wp是與變頻器直流輸入正端P相接的各開關(guān)管控制輸入端，Ufo，Vfo，Wfo是模塊內(nèi)部各個(gè)開關(guān)管的保護(hù)輸出端，Un、Vn、Wn則是與變頻器直流輸入負(fù)端N相接的各管的控制輸入端，F(xiàn)O是它們共同的保護(hù)輸出端。PM30CSJ060的自保護(hù)電路中，任何一相保護(hù)電路動(dòng)作，將產(chǎn)生一低電平，而且各相保護(hù)電路的故障信號(hào)（如過流、過壓、欠壓等）輸出相與，所得信號(hào)送入DSP的PDPINT中斷口（低電平有效），當(dāng)DSP收到低電平信號(hào)時(shí)，作出中斷處理，封鎖PWM輸出。

　　Vupl一Vupc，Vvpl一Vvpc，Vwpl—Vwpc，Vnl—Vnc所加的電壓范圍為13.5V～16.5V，本系統(tǒng)采用典型的電壓值15V；加在PN端子上的電壓范圍為0～380V。

　　2.2 TMS320F2812芯片簡(jiǎn)介及由它組成的控制模塊

　　TMS320F2812是控制電路的，為一款的電機(jī)控制專用DSP芯片，運(yùn)行速度可達(dá)150MIPS，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，能應(yīng)用于很多復(fù)雜的控制算法；片上有128kFlash和1 8k內(nèi)部Saram，可外擴(kuò)1M的統(tǒng)一編址存儲(chǔ)器，應(yīng)用起來(lái)更加靈活方便、快速；串行通訊模塊還包括增強(qiáng)的eCAN總線和新增的McBSP，能滿足多種通訊的需要，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。

　　系統(tǒng)的電流檢測(cè)電路如圖3示，由于電機(jī)繞組是對(duì)稱的，因此只檢測(cè)兩相電流ia和ib，本系統(tǒng)是采用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)電流ia和ib的。圖3為ia相電流檢測(cè)電路，由圖可見，先將電流霍爾檢測(cè)到的電流ia經(jīng)過信號(hào)比例放大，全波整流，輸出供TMS320F2812的A／D口的ADCINl進(jìn)行采樣，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后進(jìn)行相應(yīng)處理。TMS320F2812的A／D模塊具有l(wèi) 2位，這為提高系統(tǒng)的控制創(chuàng)造了條件，其電流采樣的分辨率達(dá)到1／290。

　　在保護(hù)部分中，雖然IPM模塊已經(jīng)設(shè)有過壓、欠壓、過流、過熱等保護(hù)，本環(huán)節(jié)保護(hù)電路的故障信號(hào)均輸出相與，所得信號(hào)送入DSP的PDPINT中斷口，當(dāng)該口收到的電平信號(hào)后，DSP將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖PWM輸出及停止運(yùn)行。

　　2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件主要包括主程序與中斷服務(wù)子程序，主程序主要完成的功能是芯片的初始化、變量的定義以及初始化；各種特殊功能模塊的初始化；系統(tǒng)的啟動(dòng)、停機(jī)的控制等。子程序包括：速度測(cè)量子程序，光電編碼脈沖計(jì)數(shù)子程序，模相電流檢測(cè)子程序，電流環(huán)和速度環(huán)的數(shù)字PI調(diào)節(jié)子程序，PARK變換和逆變換子程序，CLARKE變換子程序，空間矢量產(chǎn)生和PWM波形發(fā)生子程序等。圖4是速度PI調(diào)節(jié)程序流程圖，圖5是PWM定時(shí)中斷子程序流程圖。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　根據(jù)上述對(duì)主電路，控制電路等各個(gè)部分設(shè)計(jì)，應(yīng)用TMS320F2812為主控芯片搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)采用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，其參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速1440r／min，頻率50Hz，額定電壓：380V，額定電流：8.8A；SVPWM的開關(guān)頻率設(shè)為10kHz，死區(qū)時(shí)間不小于2.5μs。電流環(huán)的參數(shù)整定為：kp=4.5，ki=12，轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)整定為：kp=60，ki=0.8，實(shí)驗(yàn)波形采用數(shù)字示波器測(cè)量得到，電流波形每100mV代表電流值是1A，轉(zhuǎn)速波形每1V代表的轉(zhuǎn)速是400轉(zhuǎn)／分鐘。

　　圖6是空載啟動(dòng)時(shí)定子電流和轉(zhuǎn)速曲線的波形（圖中：定子電流：橫軸：250ms／格，縱軸：2A／格；轉(zhuǎn)速：橫軸：250ms／格，縱軸：400轉(zhuǎn)／分／格），啟動(dòng)時(shí)間大約需1.25秒鐘，啟動(dòng)電流比穩(wěn)態(tài)時(shí)大2倍。

　　圖7是直流發(fā)電機(jī)帶63Ω的電阻負(fù)載時(shí)啟動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形（定子電流：橫軸：250ms／格，縱軸：5A／格；轉(zhuǎn)速：橫軸：250ms／格，縱軸：400轉(zhuǎn)／分／格），在帶負(fù)載的情況下，電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間也是1.25秒鐘，啟動(dòng)過程中啟動(dòng)電流比穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流值稍大但小于是2倍，說(shuō)明隨著負(fù)載功率的加大，啟動(dòng)電流和穩(wěn)態(tài)電流越接近。

　　4 結(jié)論

　　矢量控制系統(tǒng)具有高的動(dòng)靜態(tài)性能，但其控制的實(shí)時(shí)運(yùn)算量大，TMS320F2812作為一種新型DSP芯片，在電機(jī)控制領(lǐng)域有著優(yōu)異的性能，獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。本文以TMS320F2812和PM30CSJ060為組成的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障保護(hù)快，動(dòng)態(tài)性能好，控制高，是一種理想的矢量控制實(shí)現(xiàn)方案。

參考文獻(xiàn):

[1]. TMS320F2812 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.
[2]. PM30CSJ060 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/PM30CSJ060_551485.html.