【文章內(nèi)容簡介】 ，如今矢量控制理論已經(jīng)應(yīng)用到家用電器、車輛交通、航空航天、軍工及醫(yī)療設(shè)備的各個(gè)領(lǐng)域中，具有較好的應(yīng)用前景。第2章 三相異步電機(jī)的矢量控制原理 矢量控制的基本原理所謂矢量控制就是將靜止坐標(biāo)系上表示的電動(dòng)機(jī)矢量關(guān)系變換到以氣隙磁場(chǎng)、定子磁場(chǎng)或者轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系上，達(dá)到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制的目的。由于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法簡單易行，解耦方便，控制精度較好，本文的工作就是基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的。交流電機(jī)三相定子電流iAiBiC1，經(jīng)過由三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系變換得到iαiβ1，然后iαiβ1再由兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換，并使d軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈的方向，得到交流電機(jī)勵(lì)磁電流分量id1和轉(zhuǎn)矩電流分量iq1，分別等效于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流[6]。這樣通過控制id1和iq1，就可以按照直流電動(dòng)機(jī)的控制方法來控制交流電動(dòng)機(jī)。 圖21 矢量控制原理圖 矢量控制基本原理如圖21所示，其中FOC框就是用來實(shí)現(xiàn)矢量控制的，可以完全用軟件來實(shí)現(xiàn)。3S/2S是三相靜止到兩相靜止坐標(biāo)系的變換，VR是兩相旋轉(zhuǎn)變換，θ是轉(zhuǎn)子磁鏈位置角，它表示d軸與α軸的夾角，由轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器給出。FOC實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是在于轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器的構(gòu)造，也就是轉(zhuǎn)子磁鏈位置角θ的確定。 矢量控制系統(tǒng)整體框圖矢量控制的方式主要有兩種：有速度傳感器和無速度傳感器的矢量控制。本文中采用的是帶速度傳感器的矢量控制方式?；谵D(zhuǎn)子磁鏈定向的系統(tǒng)框圖如圖22所示。 圖22 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)采用的是帶速度傳感器的基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制理論，控制結(jié)構(gòu)上采用速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)，通過檢測(cè)定子電流，并經(jīng)過三相坐標(biāo)系到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，得到在dq坐標(biāo)系上電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量通過各自的控制器輸出，并通過兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系，再利用電壓空間矢量法(SVPWM)來控制脈寬并驅(qū)動(dòng)逆變器進(jìn)行工作[7]。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)相應(yīng)快，關(guān)鍵在于以下兩點(diǎn)：(1) 定子電流的快速準(zhǔn)確的獲得。(2) 電流模型的建立與轉(zhuǎn)子磁鏈位置的計(jì)算。 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型矢量控制的基礎(chǔ)是三相異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立，而三相交流電機(jī)的電流、磁通和轉(zhuǎn)速之間都是互相影響的。另外，三相電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子分別等效成為三個(gè)繞組，每個(gè)繞組在產(chǎn)生磁通時(shí)都有自己的電磁慣性，加上運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電慣性，變頻裝置的滯后因素等，這些因素都決定了異步電機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。在研究異步電機(jī)多變量數(shù)學(xué)模型時(shí)，常作一下假設(shè)：①忽略空間諧波，假設(shè)電機(jī)三相繞組對(duì)稱(空間互差120電角度)，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿著氣隙圓周按照正弦規(guī)律分布。②忽略磁飽和，繞組具有恒定的自感和互感。④忽略鐵損。⑤各個(gè)繞組的電阻恒定，不受頻率和溫度的影響。⑥將電機(jī)轉(zhuǎn)子等效成為繞線轉(zhuǎn)子，折算到定子側(cè)，而且折算后的三相繞組匝數(shù)相等。這樣得到三相異步電機(jī)的物理模型如圖所示。如圖23中的三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的，以A軸為參考坐標(biāo)軸。轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的電角度為空間角位移變量[8]。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動(dòng)機(jī)的慣例和右手螺旋定則。我們可以用系統(tǒng)的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程來描述三相異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 圖23 三相異步電機(jī)的物理模型 電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)通過PWM控制方式對(duì)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主電路進(jìn)行控制，是實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)空間矢量調(diào)制和矢量控制的基礎(chǔ)。PWM控制的主電路如圖所示，如圖24中TIT6 是逆變器的六個(gè)全控式功率開關(guān)器件，它們各有一個(gè)反并聯(lián)的續(xù)流二極管。六路PWM控制信號(hào)接到TIT6的源極輸入端，通過有規(guī)律的控制TIT6 的開通和關(guān)斷，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)線路的輸出控制。 圖24 逆變器主電路原理圖SVPWM從電機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，這種調(diào)制方法把逆變器和電機(jī)作為一個(gè)整體考慮，是一種無反饋型工作模式，以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的工作模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫥鶞?zhǔn)磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)模式，形成PWM波[9]。 本章小結(jié)本章主要介紹了三相異步電機(jī)矢量控制的基本原理，以及對(duì)數(shù)學(xué)模型和整體框圖設(shè)計(jì)的把握。第3章 三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 主電路設(shè)計(jì)DSP芯片，即數(shù)字信號(hào)處理器，是一種高速專用微處理器，運(yùn)算功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù)[10]。DSP內(nèi)部采用數(shù)據(jù)和程序分開的哈佛結(jié)構(gòu)，專門設(shè)置了乘法累加器結(jié)構(gòu)，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。本文以TI公司最新推出的電機(jī)控制專用TMS320LF2407ADSP芯片為控制核心進(jìn)行研究[11]。主電路圖如圖31所示。該電路采用的是典型的交直交變頻電路，由不可控整流器和脈寬調(diào)制逆變器構(gòu)成。在這類裝置中，經(jīng)不可控整流環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)不變；經(jīng)PWM逆變環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的輸出諧波減少。利用SPWM或者SVPWM技術(shù)進(jìn)行調(diào)制在開關(guān)頻率滿足的情況下，輸出可以非常接近正弦波。 圖31 主電路圖(1) EMC抗干擾部分FI、RVI、CI、CZ、CR0、LLI、C4組成EMC抗干擾電路，用于抑制來自電網(wǎng)的電磁干擾。保險(xiǎn)絲采用2OA/250VAC型號(hào)，CI、CZ采用10n/250V的瓷片電容。R0為1W/560kΩ的電阻。扼流圈LLI的取5A/4mH的規(guī)格。(2) 整流部分Bl、Rl、Ll、C5組成了變頻電路的整流部分。該結(jié)構(gòu)采用的是單相不可控全橋整流形式。Bl為500V/25A的整流橋。Rl、CLl組成平波電路，另外還起到限流保護(hù)的作用。(3) 逆變部分REI、QI、QZ、QQQQ6組成了電壓型三相橋式逆變電路。EI取45OV/300uF，既起到儲(chǔ)能作用，又起到平波作用。功率管QlQ6采用ST公司的IRFP460，PWM7PWM12為MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DSP的PWM引腳經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路提供。逆變器輸出三相電壓分別經(jīng)A、B、C三個(gè)端子提供給交流異步電機(jī)[12]。 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)申路采用的是惠普公司生產(chǎn)的IGBT、MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片：如圖333所示HCPL_3120和HCPL_316J。其中HCPL_316J具有電壓欠飽和檢測(cè)電路及故障狀態(tài)反饋電路，能夠很好的反映逆變電路的工作情況，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)[13]。HCPL_3120用于上橋臂的驅(qū)動(dòng)，HCPL_316J用于下橋臂的驅(qū)動(dòng)，這樣既實(shí)現(xiàn)了逆變電路的保護(hù)功能，又能節(jié)省成本。 圖32 HCPL_3120驅(qū)動(dòng)電路圖