交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)

1 矢量控制系統(tǒng)的基本原理

交流異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)是按磁場定向的矢量控制系統(tǒng)。其基本思想是模擬直流電動(dòng)機(jī)控制，在遵循磁勢和功率不變的原則下，利用坐標(biāo)變換將交流電動(dòng)機(jī)的三相系統(tǒng)等效為直流電動(dòng)機(jī)的兩相系統(tǒng)，經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)變換，實(shí)現(xiàn)對定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到分別控制交流異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的目的。

1.1 矢量坐標(biāo)變換

Clarke變換是將三相平而坐標(biāo)系OABC向兩相平面直角坐標(biāo)系Oαβ的轉(zhuǎn)換。其變換和逆變換矩陣分別為：

Park變換是將兩相靜止直角坐標(biāo)系Oαβ向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系OMT的轉(zhuǎn)換。其變換和逆變換矩陣分別為：

式中，φS為M軸與α軸的夾角。

1.2 轉(zhuǎn)子磁鏈位置的計(jì)算

交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速不等于轉(zhuǎn)予磁鏈轉(zhuǎn)速，因此，不能通過佗置傳感器或速度傳感器直接檢測到交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置，而需要在OMT坐標(biāo)系中，通過對電動(dòng)機(jī)的電流模型得出：

進(jìn)行離散化處理，得到下式：

式中，K為常數(shù)327.68。

由式(7)、(8)、(9)即可求出轉(zhuǎn)子磁鏈的位置θ。

1.3 矢量控制系統(tǒng)分析

該系統(tǒng)是采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)，原理圖如圖1所示。

通過霍爾傳感器測量智能功率模塊(IPM)輸出的定子電流iA、iB，經(jīng)過DSP的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并利用式iC=-(iA+iB)計(jì)算出iC。通過Clarke變換和Park變換將電流iA、iB、iC變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量iM、iT，iM、iT作為電流環(huán)的負(fù)反饋量。利用1024線的增量式編碼器測量電動(dòng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速n。轉(zhuǎn)速n作為速度環(huán)的負(fù)反饋量。由于交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速不同步，所以用電流一磁鏈位置轉(zhuǎn)換模塊求出轉(zhuǎn)子磁鏈位置，用于參與Park變換和逆變換的計(jì)算。

給定轉(zhuǎn)速n*與轉(zhuǎn)速反饋量n的偏差，經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器輸出用于轉(zhuǎn)矩控制的電流T軸參考分量iT*。iT*和iM*(設(shè)為零值)與電流反饋量iT、iM偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出M、T旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相電壓分量VM*、VT*。VM*、VT*再通過Park逆變換轉(zhuǎn)換成α、β直角坐標(biāo)系的定子相電壓欠量的分量Vα*、Vβ*。當(dāng)定子相電壓矢量的分量Vα*、Vβ*和其所在的扇區(qū)數(shù)已知時(shí)，就可以利用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)來控制智能功率模塊6個(gè)橋臂的通斷。

以上過程可以采用軟件實(shí)現(xiàn)，從而對交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)施全數(shù)字實(shí)時(shí)控制。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用交-直-交電壓源型變頻電路，主電路由整流電路、濾波電路以及智能功率模塊(1PM)逆變電路構(gòu)成，控制電路以DSP芯片TMS320LF2407A為核心，輔以電流電壓信號(hào)采集、速度檢測、過壓過流保護(hù)、人機(jī)接口以及上位機(jī)通信等單元，從而構(gòu)成功能齊全的全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的參數(shù)由上位機(jī)通過RS232接口下傳給下位機(jī)，DSP負(fù)責(zé)采樣各相電流、計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，最后運(yùn)用矢量控制算法得到電壓空間矢量SVPWM控制信號(hào)，經(jīng)過隔離光耦HCPL4504，驅(qū)動(dòng)逆變器功率開關(guān)器件；同時(shí)DSP還監(jiān)控變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓、過熱等故障時(shí)，DSP將封鎖SVPWM信號(hào)使電動(dòng)機(jī)停機(jī)，并通過LCD進(jìn)行顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

下位機(jī)控制的核心芯片采用TMS320LF2407A，其主頻為40MHz。關(guān)于該芯片的介紹，詳見參考文獻(xiàn)[3]。下面簡述系統(tǒng)的主要硬件模塊。

2.1 智能功率模塊IPM

系統(tǒng)使用的IPM是三菱公司生產(chǎn)的PM25RSA120。它由7個(gè)IGBT單元封裝，額定電壓為1 200V，額定電流為25A。IPM與普通IGBT模塊相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進(jìn)一步的提高，使設(shè)計(jì)和開發(fā)變得簡單。由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使得散熱器尺寸減小，因而系統(tǒng)尺寸也減小。尤其是IPM集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，使系統(tǒng)的硬件電路簡單可靠，并提高了故障情況下的自保護(hù)能力。IPM模塊內(nèi)置保護(hù)功能有：控制電源欠壓鎖定、過熱保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)。如果IPM模塊中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，則IGBT柵驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)。

2.2 電流信號(hào)采集模塊

用CSM025A型號(hào)的磁平衡式霍爾電流傳感器(簡稱LEM)檢測三相輸出中的二相電流iA、iB，通過計(jì)算得出 第3相電流iC=-(iA+iB)，從而獲得實(shí)時(shí)的輸出電流信號(hào)，為矢量控制提供實(shí)時(shí)信號(hào)。因?yàn)門MS320LF2407A片內(nèi)集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC的輸入必須為0～3.3V，所以應(yīng)將LEM輸出的電流信號(hào)通過采樣電阻轉(zhuǎn)換為符合要求的電壓信號(hào)，放大濾波后接ADC口。

2.3 轉(zhuǎn)子位置檢測模塊

系統(tǒng)采用的增量式光電編碼器每轉(zhuǎn)可產(chǎn)生1 024個(gè)脈沖。其輸出A、B信號(hào)線直接接人DSP的編碼器接口QEP1和QEP2引腳。DSP的正交編碼脈沖電路自動(dòng)利用每個(gè)A、B信號(hào)脈沖的4個(gè)沿(2個(gè)上升沿和2個(gè)下降沿)對輸入信號(hào)4倍頻，這樣就可以使每轉(zhuǎn)得到4 096個(gè)脈沖，提高了分辨率。此外，還對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行判別，由一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器對脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，并計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置角度。

2.4 人機(jī)接口模塊

利用DSP的I／O口及中斷方式，管理點(diǎn)陣圖形式FYD12864-0402B液晶顯示器與4個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)菜單式人機(jī)交互。該模塊可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、檢測結(jié)果顯示以及保護(hù)報(bào)警信號(hào)顯示等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

μC／OS-Ⅱ是一個(gè)內(nèi)核很小的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，整個(gè)代碼可分為內(nèi)核層和移植層，從而更便于移植。它采用搶占式調(diào)度策略，保證任務(wù)的實(shí)時(shí)性；能夠管理多達(dá)64個(gè)任務(wù)；提供了郵箱、消息隊(duì)列、信號(hào)量、內(nèi)存管理、時(shí)間管理等系統(tǒng)服務(wù)。同時(shí)，它又是一個(gè)開放源代碼的操作系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)升級(jí)和日后的維護(hù)都非常方便。μC／OS-Ⅱ的內(nèi)核采用標(biāo)準(zhǔn)的C語言代碼編寫，易于移植到各種微處理器上。

交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中的各種功能可以劃分為不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，通過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對所有任務(wù)的調(diào)度管理，解決在單任務(wù)中難以處理的實(shí)時(shí)性差的問題，同時(shí)又可以增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性。

要將μC／OS-Ⅱ應(yīng)用于該系統(tǒng)，必須先移植到TMS320LF2407A中。移植工作主要有以下幾個(gè)部分：(1)在OS_CPU.H中定義數(shù)據(jù)類型和開／關(guān)中斷函數(shù)以屏蔽編譯器和處理器；定義堆棧的增長方向；定義任務(wù)切換函數(shù)。(2)在OS-CPU.C中，用C嵌入?yún)R編語言編寫以下函數(shù)：OSTaskstkInit( )、OSCtxSw( )、OSStartHighRdy ( )、OSIntCtxSw( )、OSTicksr( )、OSTaskCreateHook( )、OSTaskSw-Hook( )、OSTaskDelHook( )、OSTaskstatHook ( )和OSTimeTickHook()。任務(wù)的全部信息都保存在相對應(yīng)的任務(wù)控制塊和堆棧中，因此任務(wù)的切換要處理任務(wù)控制塊和堆棧。涉及任務(wù)控制塊的工作是：(2)保存被切換任務(wù)的堆棧指針到當(dāng)前任務(wù)控制塊；(2)將當(dāng)前任務(wù)控制塊指向最高任務(wù)控制塊；(3)取出當(dāng)前任務(wù)塊存儲(chǔ)的堆棧地址。

根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，可將整個(gè)系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)并行存在的任務(wù)：信號(hào)采集、電動(dòng)運(yùn)行、再生制動(dòng)、狀態(tài)顯示。另外還設(shè)計(jì)了2個(gè)中斷子程序，用于實(shí)現(xiàn)4個(gè)按鍵的輸入及智能功率模塊IPM對短路、過流、過壓、欠流、欠壓等情況的保護(hù)功能。每個(gè)任務(wù)都分配了優(yōu)先級(jí)和內(nèi)存空間。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高，數(shù)值越小表示優(yōu)先級(jí)越高。再生制動(dòng)任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高，因?yàn)樵撊蝿?wù)實(shí)時(shí)性最高，若不能及時(shí)啟動(dòng)或過早結(jié)束均會(huì)對系統(tǒng)造成損害；信號(hào)采集任務(wù)運(yùn)行最頻繁，為其他任務(wù)提供可靠必需的參數(shù)，故設(shè)其優(yōu)先級(jí)為次高；顯示任務(wù)實(shí)現(xiàn)菜單和控制參數(shù)的顯示，人機(jī)交互，對控制器性能沒有直接影響，優(yōu)先級(jí)設(shè)為最低；電動(dòng)運(yùn)行任務(wù)是常規(guī)狀態(tài)，優(yōu)先級(jí)設(shè)為次低。該系統(tǒng)采用靜態(tài)優(yōu)先權(quán)，即運(yùn)行過程中任務(wù)優(yōu)先權(quán)不變。各任務(wù)之間的通信通過信號(hào)量進(jìn)行，故應(yīng)使OS_SEM_EN=1。

在該嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下編寫的DSP軟件流程非常簡單易讀，其具體流程圖如圖3所示。

電動(dòng)運(yùn)行任務(wù)是系統(tǒng)中最主要的任務(wù)，它接收郵箱或消息隊(duì)列傳遞過來的消息，實(shí)現(xiàn)控制算法的在線調(diào)節(jié)，控制電機(jī)的加減速及勻速運(yùn)行。其程序流程如圖4所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)的試驗(yàn)對象是一臺(tái)鼠籠式交流異步電動(dòng)機(jī)，具體參數(shù)為：額定功率0.6kW、額定電流2.75A、額定電壓220V、額定轉(zhuǎn)速1400r／min。分負(fù)載與空載兩種情況做試驗(yàn)，設(shè)定頻率為50Hz，用數(shù)字示波器測量異步電機(jī)定子的相電流，測量得到的相電流波形如圖5、圖6所示。設(shè)定頻率為40Hz時(shí)，對從空載到負(fù)載的轉(zhuǎn)速和相電流進(jìn)行觀察，波形如圖7所示。

從示波器存儲(chǔ)截圖中可以看出，在空載與負(fù)載的情況下，調(diào)速范圍寬、靜差率小，其性能優(yōu)于一般的直流調(diào)速系統(tǒng)；相電流幾乎接近正弦波，實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩控制。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)的相電流和轉(zhuǎn)速響應(yīng)很快，穩(wěn)態(tài)誤差接近4％。由此可見系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能。

該系統(tǒng)給出了交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)基于DSP的嵌入式實(shí)時(shí)解決方案。試驗(yàn)結(jié)果證明了交流調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)用了矢量控制技術(shù)后，具有動(dòng)靜態(tài)性能好、抗干擾能力強(qiáng)、保護(hù)功能完善等特點(diǎn)。此外，將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植到控制器中，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及可靠性。