基于DSP 的转子磁场定向感应电机控制系统实现

基于DSP 的转子磁场定向感应电机控制系统实现

基于DSP 的转子磁场定向感应电机控制系统实现

东华大学机械工程学院 范岩 何勇

College of Mechanical Engineering Donghua University Fan yan He yong

摘要 本文介绍了一种采用磁链和开环速度估算器的转子磁场定向的控制系统，系统设计的的关键问题是磁链的观测和速度的准确估算。在系统动态过程中，电机的一些定、转子参数会随着电机温升和磁路饱和的影响而发生变化，是时变参数，本文按照模型参考自适应系统构造出参考模型和可调模型来实现了扩展卡尔曼滤波对磁链和电机转速的估算，并成功应用此算法设计了一套DSP实验控制系统，实现了速度自适应识别。同时本文介绍了DSP实验系统的硬件和软件实现方法并对实验结果进行了分析。模型试验应用于1.0 kW的感应电机取得了较好的的控制效果。

关键词：感应电机 自适应 无速度传感器 DSP

中图分类号：TM343 文献标识码：A

1 前言 以转子磁场定向的矢量控制系统已经广泛应用于高性能的工业场合，由于矢量控制需要转速闭环，因此很多情况下，人们是利用同轴安装的速度传感器测速。但是精密的速度传感器价格较高，且在某些恶劣环境下无法安装速度传感器，因此近年来研究较多的是无速度传感器矢量控制技术。对于无速度传感器系统，由于电机终端可测量的只有电压和电流信号，因此转速和转子磁链只能通过电压和电流计算得到。这种系统需解决两个问题：转速的估计和转子磁链的观测[1]。

2 异步电动机转子磁场定向矢量控制的基本原理

2.1转子磁场定向矢量控制基本原理

1971年德国人F.Blaschke提出“感应电机磁场定向的控制原理”，是人们首次提出矢量控制的概念，以后在实践中经过不断改进，形成了现在普遍采用的矢量控制系统[2-3]。磁场定向控制原理规定两相同步旋转M T坐标系的M轴就是沿着转子磁链ψr的方向，并称之为磁化轴，T轴则垂直于ψr，称之为转矩轴。这样M T坐标系就变成了转子磁场定向坐标系，而ψr也是以同步转速旋转的矢量，因此：

ψrM=ψr，ψrT=0 （2.1）

即： lmisM+lrirM=ψr （2.2）

lmisT+lrirT=0

对于笼型感应电机有urM=urT=0，电压方程可化为以下形式：

usM u sT

0 0lmP ωslm isM Rs+lsP ωsls ωlRlPllP+ωsssssmm isT = lmPRr+lrP00 irM Rr irT ωlr0 ωlm （2.3）

由异步电机在两相同步旋转M T坐标系中的电压方程、磁链方程可推导出以下公式：

isM=

Te=npτrP+1lmψr 或 ψr=lmisMτrP+1 （2.4） lmisTψr lr （2.5）

式中，usM、usT、urM、urT、isM、isT、irM、irT、ψsM、ψsT、ψrM、ψrT为定、转子电压、电流、磁链在M T坐标轴上的分量； ω=ωs ωr为转差角速度，ωr为转子角速度，ωs为同步旋转角速度。ls、lr为定、转子一相绕组的等效自感；lm为定、转子一相绕组的等效互感；Te为电磁转矩；p为微分因子；np为极队数； Rs、Rr为定子、转子电阻。式2.4表明，转子磁链ψr仅由isM产生，与isT无关，isM称为定子电流的励磁分量，ψr与isM之间的传递函数是一阶惯性环节，当励磁分量isM突变时，ψr的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。式2.5中，isT是定子电流

即ψr不变时，如果isT发生变化，转矩Te立即随之成正比地变化，的转矩分量，当isM不变，

没有滞后。因此，M T坐标系按转子磁场定向后，在定子电流的两个分量之间实现了解

基于DSP 的转子磁场定向感应电机控制系统实现

藕，ψr唯一由isM决定，isT则只影响转矩，与直流电机中的励磁电流和电枢电流相对应，这样大大简化了多变量强耦合的交流变频调速系统的控制问题。

2.2无速度传感器矢量控制的自适应转速估计

为实现精确的速度反馈控制，必须能准确获得电机的转速信号，同时进行转子磁链的准确观测，也需要转速反馈信号。在无速度传感器矢量控制系统中，只能对电机的定子电流和电压进行实时检测，因此可以由定子电压和电流进行计算得到转速大小。在系统动态过程中，电机的一些定、转子参数会随着电机温升和磁路饱和的影响而发生变化，是时变参数，因此可以按照模型参考自适应系统构造出参考模型和可调模型计算出电机转速[4-5]。

根据电机在两相静止坐标系中的Park方程和磁链方程，可以得到两种形式的转子磁链模型：

ψrα lr Rs lm ψrβ

ψrα 1/τr = ω ψrβ r +σlsP0 isα lr +Rs+σlsP isβ lm0 isα i sβ usα （2.6） u sβ ωr ψrα lr ψ + 1/τr rβ lm （2.7）

式2.6称为电机转子磁链的电压模型，式2.7称为转子磁链的电流模型，这两种模型是进行转子磁链计算常用的模型。显然在式2.6中不包含电机转速信号ωr，而式2.7涉及到转速ωr，因此式2.6可以被认为是转子磁链的参考模型，式2.7可以作为系统的可调模型，用参考模型和可调模型的状态误差产生一个合适的自适应规律，使得可调模型的ωr逼近真实的电机转速ωr。同时，电机调速过程中，转子时间常数τr随温升和磁路饱和变化比较大，把τr也作为需要辨识参数。利用模型参考自适应可得对ωr、Tr=1/τr进行辨识的表达式：

tk ψ ωr=∫0ωI rαψrβ ψrαψrβ dt+kωp ψrαψrβ ψrαψrβ ^ ^^ ^^ ^^^^ （2.8）

dt （2.9） ^^^^^t Tr=∫kTI ψrα ψrα lmisα ψrα + ψrβ ψrβ lmisβ ψrβ0

^^^^ +kTP ψrα ψrα lmisα ψrα + ψrβ ψrβ lmisβ ψrβ

2.3转子磁链的观测

上述的转子速度估计需用到转子磁链ψr，而ψr不是可直接测量的量，但可以用磁通观

^ 测器得到。对 is = A11

^ A ψr 21 [6]

^ A12 is B ，假定速度环节以估算出ω、 r ψ + 0 usA22 r Rr，方程中is可测，仅ψr不可测，因此，可以用龙伯格降阶观察器测得ψr。观测方程如下： （2.10） ψr=A21is+A22ψr+G is A11is A12ψr Bus =(A22 GA12)ψr+(A21 GA11)is+Gis GBus ^^^^^

适当选择G，可以使[A22 GA12]的特征值为负值，则降阶观测器是渐进稳定的。 3 DSP系统的实现

系统的硬件组成如图1所示。控制核心系统选用微处理器TMS320LF2407A，它是为专门控制电机而设计的数字信号处理器，有12 路的PWM输出，其内核是16位的，具有4级流水线，

[7]频率可达40MHz ，内置有32K的FLASH ROM，本设计不需要另外加程序存储器。电流检测经

放大滤波后由DSP的10位A/D转换为数字信号。

系统的部分驱动电路如图2所示。算法生成的控制信号，由DSP的事件管理模块的

PWM1~PWM6输出PWM信号，经6N137高速光耦隔离，带动IR的IR2132S输出驱动ST公司的

STGW20NB60KDIGBT实现交流电机的高性能控制。为提高系统的可靠性和抗干扰性，在系统设计中采用了光耦隔离和拉高、拉低等设计方法。

基于DSP 的转子磁场定向感应电机控制系统实现

图1 系统硬件结构图

图2 部分驱动电路

系统软件的实现以前面推导的转子磁场定向理论为基础实现，软件主程序框图如 …… 此处隐藏：3967字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……