感应电动机转差型矢量控制系统设计_徐奇伟

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将转子转到图 3(a)位置 。 给三相绕组通入关
系为 ia =-2ib =-2ic =0.175 A的直流电流 , 直轴
气隙基波磁通的变化量 ad为 0.000074282 Wb, 由
ad得 到 直 轴 电枢 反 应 电 势 Ead =2πfKW1 W ad = 2
1.8059 V, Eaq = 2πfLad id, 32.85 mH。
图 2 感应电动机转差型矢量控 制系统仿真模型
在仿真 系统中 , 转速调节 器 、 转矩 调节器和 磁链调节器均采用输出限幅的 PI调节 。仿真波形
如图 3 ～图 5所示 。仿真结果表明磁链开环间接型 矢量控制系统具有良好的控制性能 。
3 系统硬件电路设计
设计采用以 DSP作为控制核心的数字控制系 统 。系统采用交 -直 -交变压变频电 路 。 输入单 相 220 V交流电 、 输出三相交流电来控制感应电动 机 。控制电路以 DSP芯片 TMS320LF2407为核心 , 构成功能齐全的全数字 转差型矢量控 制系统 。 整 个系统主要包括主电路和控制电路两部分 。
DOI :10 .15934 /j .cnki .micromotors .2008 .11 .016
微电机
2008年第 41 卷第 11期
中图分类号 :TM346 文献标志码 :A 文章编号 : 1001-6848(2008)11-0036-04
感应电动机转差型矢量控制系统设计
图 6 电流采样电路
2)转速检测 转速检测是速度闭环控 制系统的 关键 , 其精 度将直接影响调速系统的控制精 度和稳定性 。 本 系统采用增量式光电编码器 , 光电码盘 的脉冲数 为 2048。 它由 5 V电压供电 , 有 6路输出 , 即为 A+、 A-、 B+、 B-、 Z+、 Z-。 其 中 A、 B 用于测速 。 它们 相位 相差 90°, 每 转一 周 , 输出 2048个脉冲 ;而 Z轴每转一周输出一个脉冲 , 用 于确定转子的空间位置。 转速采集电路如图 7 所示 :
3.2 控制电路
系统的控 制电 路以 TMS320LF2407 为 控制 核
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微电机
2008年第 41 卷第 11期
心 , 完成电流信号与 转速信号 检测 、 控 制算法的 实现以及相应的 PWM信号输出 。 检测电路又分为 电流检测和转速检测两部分 。
1)电流检测 电流信号检测的 结果用于矢量控 制的坐标变
32.85
14%
Laq/mH 101.55
97.29
4%
4 结 论
用等效磁路法计算 Lad、 Laq, 只需通过电机永 磁体的尺寸 , 每相绕组串 联匝数 、 气 隙长度 、 卡 氏系数 、 绕 组系数 、 计算 极弧系数 、 定子内径 和 定子铁心长度就可以很容易地求得直 、 交轴电感 。 此方 法简 单 、 直 观 。 与 有限 元法 计算 结果 对比 , 该方法计算精度较高 , 可以满足一般的工程要求 。
1 矢量控制基本原理
矢量控制的设计 思想是模拟直流 电动机的控
制特点进行交流电动机 控制 ;基于交 流电动机动
态模型 , 通过矢量坐 标变换和 转子磁链 定向 , 得
到等效直流电动机的数 学模型 , 使交 流电动机的
动态模型简 化 , 并实 现磁链和 转矩的解 耦 , 然后
按照直流电动机模型设 计控制系统 , 可以实现优
Lad = KW1 W ad = 2id
将转子转到图 3(b)的位置 。在不考虑交叉饱和
影响的情况下将转子永磁体材料定义为相同磁导率的
不导磁材料 。给三相绕组通入关系为 ia =-2ib =-ic =0.175 A的直流电流, 用有限元分析得到交轴气隙
基波磁通 aq为 0.00022001 Wb。由 aq得到的交轴电 枢反 应 电 势 Eaq =2πfKW1 W aq =5.3488 V, Eaq =
2
2πfLaqiq,
Laq
=KW1
W aq 2iq
=97.29
mH。
图 3 电枢反应场图
表 2中列出了用两种计算方法得到的稀土永磁 同步电机的 Lad、 Laq值以及磁路法相对于有限元法 的误差百分比 。
表 2 两种计算方法结果对比
计算方法 磁路计算 有限元计 算 误差百分比
Lad/mH 27.85
电路 便 可 获 得 感 应 电 动 机 的 转 子 位 置 和 转 速 信息 。
4 系统软件设计
系统软件由主程序和 PWM中断服务子程序两 部分构成 。主程序 中对硬件 和变量初 始化 , 对 各 个控制寄存器置 初值 , 对运算 过程中使用的 各种 变量分配地址并 设置相应的初值 。 初始化模 块仅 在 DSP上电复位后执行一次 , 然后进入 循环等待 时期 。中断服务子 程序是系 统的核心 部分 , 负 责 A/D转换 、 速度计算 、 坐标 变换 、 PI调节 、 生成 PWM信号等 [ 2] 。中断程序流程如图 8所示 。
3.1 主电路
主电路是 功率变换的执行 机构 , 包 括整流电
路 、 滤波电 路 、 能耗电路 和逆变电路 。 本系统 采 用交 -直 -交电 压型主电路 , 先把频率固定 的交 流电整流成直流 电 , 再把直流 电逆变成频率 连续 可调 的 三 相 交 流 电。 逆 变 电 路 采 用 型 号 为 IR16UP60A的 IPM模块 , 该模 块包含了栅极 驱动 电路 、 逻辑控制 电路以 及欠压 、 过流 、 短路 、 过 热等保护电路 。 该 智能模块 的应用 , 减小了装 置 的体积 , 提高了系统的性能与可靠性 。
收稿日期 : 2008-01-21 · 36 ·
感应电动机转差型矢量控制系统设计 徐奇伟 , 等
图 1 转差型矢量控制系 统原理图
2 系统仿真
差型矢量控制系 统模型 , 利用 Matlab的工具 软件 Simulink对系统进行仿真分析 。系统仿真模型如图
根据以上 的原理分析 , 搭建了感应 电动机转 2所示 。
DesignofInductionMachineSlipVectorControlSystem XUQi-wei, WUFeng-jiang, ANQun-tao, SunLi
(CollegeofElectricalEngineering, HarbinInstituteofTechnology, Harbin150001, China) Abstract:Analyzedthetheoryonthevectorcontrolofinductionmachine, realizingthedecouplingcontrolofmagneticfluxandtorquethoughvectorcoordinateconversionandrotorfluxorientation.Basedon the simulation research ofsystem, designed the software and hardware in the controlcore of TMS320LF2407, constructingaslipvectorcontrolsystemofinductionmachine. KeyWords:Inductionmotor;Slipvectorcontrol;Simulution;Experiment
本文设计了一个转 差型矢量 控制系统 。 其控 制思想是 :在控制过程中 , 使电机 转子磁链始终 保持不变 , 电 机的转 矩就能 和稳 态工 作时一 样 , 主要由转差率来决定 。 按照 这个思路 , 就可以从 转子磁链直接得到定子 电流 M轴 分量的给 定值 , 再通过对定子电流的 有效控制 , 避 免了对磁通的 闭环控制 。 这种控制方法用转差率 和测量的转速 相加后积分来估算转 子磁链的位置 , 结构比较简 单 , 所能获得的动态性能基本上可 以达到直流双 闭环控制系统的水平 。其系统模型如图 1所示 。
换 , 以实现磁链和转矩的解耦 。 由于 Y型连接绕 组中三相电流瞬时值的总和为 0, 即 iA +iB +iC = 0, 因此只需检测其中两相电流 。 本系统采用 CHB -25NP型 电流 霍尔 传感 器 , 将 检 测到 的电 流按 200:1的变比在副边输出 。由于 TMS320F2407片 内 A/D转换器的允许输入为 0 V～ 3.3 V的单极型 信号 , 故采集到的电 流信号需经过电 压偏移电路 和限幅电路后进入 DSP的 A/D转换输入通道 。电 流采样电路见图 6。
参考文献
[ 1] 阮毅 , 陈 维钧 .运 动控 制系 统 [ M] .北京 :清华 大学 出版 社 , 2006.
[ 2] 王晓明 , 王玲 .电动机的 DSP控制 [ M] .北京:航空航天大 学出版社 , 2004.
作者简介:徐奇伟 (1983 -), 男, 哈尔滨市人 , 硕士 研究生 , 研究方向为电机驱动控制 。
图 9 稳态电流波形
感应电动机转差型矢量控制系统设计 徐奇伟 , 等
图 10 转速响应曲线
6 结 论
本文采用 TMS320LF2407设计了感应电动机转 差型矢量控 制系统 。 通过理论 分析 、 仿 真研究和 实验结果说明 , 磁链开环间接型矢量控制系统具有
良好的静 、 动态性能 ;同 时 , 为实现 更为复杂 的 控制算法提供了 基础 , 也为实 际感应电动机 矢量 控制系统的设计和调试提供了思路 。
参考文献
[ 1] JungHoLee, JungChulKim, DongSeokHyun.EffectAnalysis ofMagnetonLdandLqInductanceofPermanentMagnetAssisted SynchronousReluctanceMotorUsingFiniteElementMethod[ J] . IEEETransactionsonMagnetics, 1999, 35(3): 1199-1202.
图 8 PWM中断程序流程图
5 实验研究
在完成控制系统的 硬件设计 、 软件 编程调试 后 , 对系统的运行性能进 行了实验研究 。 图 9为 感应电动 机的稳 态电 流波形 。 图 10 为转 速响应 曲线 。
图 7 转速采集电路
将增量式光电编码器输出的信 号 A+、 A-、 B+、 B-、 Z+、 Z-输入 DS3486M。 DS3486M 具有抗干扰能力 , 可以提高传输 的精度 , 使得速 度信号可以远距离的传输 。 输出的信号 经过一组 反相器对波形进行整形 , 然后输入到 DSP中的正 交编码脉冲电路 (QEP电路 ), 通过正交编码脉冲 · 38 ·
电磁转矩 Te正比于转子磁链和定子电流转矩分量
的乘积 。这充分说明了感应电动机矢量控制系统
按转子磁链 定向可 以实现 磁通和 转矩的 完全
解耦 。
按转子磁链定向 的矢量控制系统 的关键是准
确定 向 。 但 是 , 转 子磁 链的 直接 检测 非常 困难 , 而利用磁链模型间接估算磁 链的方法又受到 电机 参数变化的影 响 , 造成控 制的不准确 。 因此 , 与 其用磁链闭环控 制而反馈不准 , 不如采用磁 链开 环控制 , 使 得系统简单 、 可靠 。 采用 磁链开环 的 控制方式 , 无需转 子磁链的 幅值 , 但 对于矢量 坐 标变换而言 , 仍然 需要转子 磁链的位 置信号 。 由 此可知 , 转子磁链 的计算仍 然不可避 免 。 如果 利 用给定值间接计 算转子磁链的位 置 , 可简化 系统 结构 。这种方法称 为间接定 向 。 间接 定向的矢 量 控制系统借助于 矢量控制方程中 的转差公式 , 构 成转差型矢量控制系统 [ 1] 。
良的静 、 动态性能 。 在 根据转子 磁链定 向的两相
同步旋转坐标系下 , 感应电动机矢量 控制系统的
Leabharlann Baidu
控制方程为 :
Te =np LLmrΧrist Χr=TrL pm+1 ism
(1 )
从式 (1)看出 , 转子磁链 Χr仅由定子电流励
磁电流 ism产生 , 与定子电流转矩分量 ist无关 , 而
徐奇伟 , 吴凤江 , 安群涛 , 孙 力
(哈尔滨工业大学 电气工程系 , 哈尔滨 150001)
摘 要 :本文分析了感应电动机矢量控制原理 , 通过矢量坐标变换和转子磁场定向实现磁通与 转矩的解耦控制 。在对系统进行仿真研究的基础上 , 以 TMS320LF2407为控制核心进行软 、 硬件 的设计 , 构建了一个感应电动机转差型矢量控制系统 , 为其设计和调试提供了思路 。 关键词 :感应电动机 ;转差型矢量控制 ;仿真 ;实验