摘要：矢量控制是一種高性能的交流電機控制方法，具有控制轉(zhuǎn)矩小，電流諧波成分少等優(yōu)點。本文介紹了一種以TI公司的TMS320F2812為核心的基于矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，描述了各硬件功能單元的組成結(jié)構(gòu)和設(shè)計特點，并給出了設(shè)計方案和軟硬件的設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞：異步電機；矢量控制；電流調(diào)節(jié)
 
DSP-based vector control of asynchronous electromotor
 
Ma Zhaoxun    Yang Guowei
(Harbin Jiuzhou Electric Co.,LTD.  Haerbin  150081  Heilongjiang)
 
Abstract：Vector control is a high performance AC motor contro methord. With the advantage of small control torque, small current harmonics and so on. This paper introduce a system design that based on vector control VVVF to TI’s TMS320F2812 as the core, description of the hardware functional unit of the structure and design features, and gives the design proposal and design methods of hardware and software.
Key words：asynchronous electromotor；vector control；current Regulator
 
1.引言
      近年來隨著電力電子學的飛速發(fā)展，各種新型大功率半導(dǎo)體器件，如IGBT的出現(xiàn)，使電力電子器件正朝著大容量、高頻、易驅(qū)動、低損耗、智能模塊化的方向發(fā)展，促使交流傳動得到了飛速發(fā)展。它已經(jīng)進入與直流傳動相競爭的階段，并有取而代之的趨勢。相對于直流電機而言，交流電機結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、運行可靠，交流電機控制理論、微型計算機技術(shù)、特別是電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，促使高性能交流變頻調(diào)速技術(shù)得到了極大發(fā)展，在生產(chǎn)、生活的各領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。數(shù)字信號處理器(簡稱DSP)是當前迅速發(fā)展的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，它集微電子學、數(shù)字信號處理、計算機技術(shù)三門學科于一體。DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用程序總線和數(shù)據(jù)總線分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，所以可快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，適用于實時控制。

2.異步電機矢量控制原理
     矢量控制通過將電機的電流、電壓、磁鏈等量變換到同步坐標系中實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制，從而實現(xiàn)快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)及較高效率的運行。這種方法同時對交流量的幅值和相位進行控制，因此叫做矢量控制。矢量控制模仿了直流電機的換向器保持磁通和電樞磁動勢垂直的機理，使交流電機的控制性能達到直流電機的水平。
     異步電機矢量控制根據(jù)所采用的坐標系定向方向的不同可分為轉(zhuǎn)子磁場定向、定子磁場定向及氣隙磁場定向矢量控制。定子磁場定向矢量控制雖然磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦不完全，但是可以通過前饋補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)解耦控制。由于定子磁場定向控制直接控制定子磁通，這使得它能夠最大限度地利用母線電壓和逆變器的電流輸出能力，更適于弱磁場合下的控制。氣隙磁場定向的矢量控制采用了可以通過傳感器直接測量的氣隙磁鏈，而且電機磁通的飽和程度與氣隙磁通一致，更適合處理飽和效應(yīng)，但是其磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦也不完全，控制略顯復(fù)雜。轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦最完全，因而在異步電機的矢量控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.硬件控制電路部分

     本系統(tǒng)的控制芯片采用TI公司最新的數(shù)字信號處理器TMS320F2812，一款專門在電機及其他運動控制領(lǐng)域中應(yīng)用的專用DSP芯片。整個系統(tǒng)采用交—直—交變壓變頻電路。主電路由整流橋、濾波電路及智能模塊組成的逆變電路組成?？刂齐娐芬訢SP芯片TMS320C2812為核心，構(gòu)成功能齊全的控制電路。電流檢測電路由接在逆變橋輸出端的霍爾傳感器電路組成，相電壓檢測電路為霍爾傳感器電路。接口電路主要是指鍵盤和顯示電路以及內(nèi)存擴展電路。在設(shè)計此系統(tǒng)的硬件電路時，采用模塊化的芯片減少復(fù)雜的外圍電路。從電機模型可以得出并用前饋的方法加以補償，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的擾動需要負載轉(zhuǎn)矩觀測才能進行補償；電流調(diào)節(jié)器的性能指標在開關(guān)頻率和電機參數(shù)確定后便可確定，而速度調(diào)節(jié)器對于不同的應(yīng)用場合可能希望有不同的指標。因此，一般產(chǎn)品的電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計都是內(nèi)置的，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可供用戶根據(jù)不同應(yīng)用要求進行人工調(diào)節(jié)。

4.矢量控制中的電流調(diào)節(jié)
     異步電機中，無論是電磁轉(zhuǎn)矩還是磁場均受控于電機的定子電流，可以認為定子電流的控制效果直接影響調(diào)速系統(tǒng)的性能。由于電流調(diào)節(jié)與磁通、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)本質(zhì)上是一樣的，因而許多情況下這兩大調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)常常合并在一起，并不嚴格區(qū)分 。實際控制系統(tǒng)中根據(jù)不同要求，常常需要簡化或組合，而且電流調(diào)節(jié)器的任務(wù)是選擇正確的電壓矢量。 

     選擇定子電流作為控制變量的基本原因是，在進行磁場定向時，電磁轉(zhuǎn)矩和磁通解耦后直接受控于定子電流的轉(zhuǎn)矩分量與磁通分量，通過控制定子電流就能有效地控制轉(zhuǎn)矩和磁通。另外，電流調(diào)節(jié)器在一定意義上可看成具有理想電流源的特性，可以不考慮電機的定子側(cè)由于電阻、電感或反電勢造成的動態(tài)行為，使控制系統(tǒng)的階數(shù)降低，同時也降低了控制環(huán)節(jié)的復(fù)雜性。

5.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
     此系統(tǒng)中對感應(yīng)電機的所有控制都是通過DSP芯片TMS320C2812的軟件來實現(xiàn)的。軟件程序由主程序和定時器下溢中斷子程序組成。主程序的工作是初始化，將外部輸人的頻率調(diào)節(jié)比轉(zhuǎn)換成角頻率，根據(jù)U/f曲線確定參考電壓的幅值。中斷子程序的工作是在每一個PWM周期里，計算出下一個PWM周期的三個比較寄存器的比較值，并送到比較寄存器中。

6.結(jié)論
     本文以異步電機作為控制對象，將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于異步電機的調(diào)速系統(tǒng)中。矢量控制比以往的V/F控制要進步得多特別加上編碼器進行速度反饋，它可以完成力矩控制，且低速性能也大大改觀。通用變頻器通常都采用SPWM控制方式，通過實時計算來生成SPWM波，實時計算對控制器的運算速度要求非常高，而DSP是滿足這一要求的性價比最理想的控制器，設(shè)計的控制器對電機的轉(zhuǎn)速具有較快的相應(yīng)速度、較強的抗擾動能力，取得了令人滿意的控制效果。
參考文獻
[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].第3版.北京:機械工業(yè)出版社,2003.
[2] 張雄偉,陳亮,徐光輝.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].3版.北京:電子工業(yè)出版社,2004.
[3] 陳伯時,陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.
[4] 李永東,李明才.感應(yīng)電機高性能無速度傳感器控制系統(tǒng)—回顧、現(xiàn)狀與展望[J].電氣傳動,2004,34(1):4-10.
[5]  Kang B P,Ju J L.Sliding mode controller with filtered signal for robot manipulators using virtual planlt/controller[J].Mechatroonics,1997,7(3):277-286.
[6]  Wu R,Dewan S B,Slemon G R.Analysis of an AC to DC Voltage Souce Converter Using PWM with Phase and Amplitude Control[J].IEEE Trans.On Industry Applications,1991,27(2):255-364.