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可靠性和實(shí)時(shí)性是對控制系統(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)字化趨勢廣泛流行的今天,集成電路甚至電機(jī)控制專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)場可編程門陣列(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,沒有一般的IC所具有的功能,但用戶可以根據(jù)自己的需要,通過專門的布局布線工具對其內(nèi)部進(jìn)行編程,在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出自己的專用集成電路,從而大大地提高了產(chǎn)品的競爭力。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)專用芯片中。這樣,既可以實(shí)現(xiàn)速度控制,又可以對電流單獨(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來實(shí)現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)真正的片上系統(tǒng)。 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)邏輯器件開發(fā)周期短和開發(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、開發(fā)工具先進(jìn)、編程完畢后的成品無需測試和可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的異步電動機(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,實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)矢量控制速度控制器的專用集成電路。 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)的軸線設(shè)定如圖2所示,A相繞組軸線與α相繞組軸線重合,都是靜止坐標(biāo),分別對應(yīng)的交流電流為iA、iB、iC和iα、iβ。采用磁勢分布和功率不變的絕對變換,三相交流電流在空間產(chǎn)生的磁勢F與二相交流電流產(chǎn)生的磁勢相等。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)生的磁動勢與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,寫成矩陣形式,其公式如下: 圖3 α-β坐標(biāo) 矢量控制亦稱磁場定向控制,其基本思路是:模擬直流電機(jī)的控制方法進(jìn)行控制,根據(jù)磁勢和功率不變的原則通過正交變換,將三相靜止坐標(biāo)變換成二相靜止坐標(biāo)(Clarke變換即3Φ/α-β變換,其坐標(biāo)變換關(guān)系如圖2,定量關(guān)系如公式(1)),然后通過旋轉(zhuǎn)變換將二相靜止坐標(biāo)變成二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(Park變換,即(α-β/d-q變換,坐標(biāo)變換關(guān)系如圖3,定量關(guān)系如公式(3))。在α-β/d-q變換下將定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的2個(gè)直流分量id、iq(其中id為勵(lì)磁電流分量,iq為轉(zhuǎn)矩電流分量),并對其分別加以控制,控制id就相當(dāng)于控制磁通,而控制iq就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。 2個(gè)直流分量id和iq分別由速度和電流PI調(diào)節(jié)器經(jīng)電流電壓變換和Clarke逆變換(坐標(biāo)變換關(guān)系如圖2,定量關(guān)系如公式(2))、Park逆變換(坐標(biāo)變換關(guān)系如圖3,定量關(guān)系如式(4))和電壓空間矢量變換后,獲得控制逆變器的6路PWM信號,從而實(shí)現(xiàn)對異步電機(jī)的變壓變頻控制。 2 控制器的數(shù)字硬件設(shè)計(jì) 異步電機(jī)速度控制器的數(shù)字硬件設(shè)計(jì)主要包括Clarke變換、Clarke逆變換;Park變換、Park逆變換;電流PI調(diào)節(jié)模塊、速度PI調(diào)節(jié)模塊;電壓空間矢量模塊;轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算模塊和速度檢測模塊等幾個(gè)不同部分。矢量控制異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主電路和數(shù)據(jù)運(yùn)算路徑如圖4所示。 2.1 矢量變換模塊設(shè)計(jì) 矢量變換包括相坐標(biāo)以及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正變換和反變換,式(1)～(4)給出了相應(yīng)變換的定量運(yùn)算公式。其中式(1)、(2)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)比較簡單,1個(gè)加法器和1個(gè)乘法器就可以完成變換運(yùn)算;式(3)、(4)確定的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正變換和逆變換,在工程實(shí)踐中可以采用查正弦表或泰勒級數(shù)展開的方式進(jìn)行計(jì)算,從而完成相應(yīng)的功能。 2.2 PI調(diào)節(jié)器模塊設(shè)計(jì) 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·E[n] (6) 積分項(xiàng)迭代公式為: I[n]=I[n-1]+Kh(E[n]+E[n-1])(7) |
