基于矢量控制的高性能异步电机速度控制器的设计

　　摘　要：由于异步电机的矢量控制算法比较复杂,要达到高性能的目的,必须利用双DSP,使其系统的整体性价比下降。为解决这一问题,本文利用现场可编程门阵列(FPGA),设计一种智能控制器来完成一系列复杂控制算法,实现了异步电机矢量控制速度控制器的专用集成电路。该电路对研制具有自主知识产权的矢量控制异步电机变频调速专用芯片有着十分重要的意义。 
　　关键词：异步电机 矢量控制 现场可编程门阵列 智能控制器 控制算法 

　　可靠性和实时性是对控制系统的基本要求,最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路。随着电子技术的进步,以脉宽调制(PWM)为基础的变频调速技术已广泛应用于电机控制中。在数字化趋势广泛流行的今天,集成电路甚至电机控制专用集成电路已大量应用在电机控制中。特别是最近几年兴起一种全新的设计思想,即基于现场可编程门阵列(FPGA)的硬件实现技术。该技术可以应用于基于矢量控制的异步电机变频调速系统中。FPGA本身是标准的单元阵列,没有一般的IC所具有的功能,但用户可以根据自己的需要,通过专门的布局布线工具对其内部进行编程,在最短的时间内设计出自己的专用集成电路,从而大大地提高了产品的竞争力。由于FPGA以纯硬件的方式进行并行处理,而且不占用CPU的资源,使系统可以达到很高的性能。这种设计方法应用于异步电机矢量控制变频调速系统时,一般把电流控制作为DSP 的协处理,转子速度和转子磁链算法由DSP 主机来实现。一般情况下,位置控制比较灵活,很难做到通用性,所以位置环节一般由DSP来完成,但速度控制和电流控制具有通用性,因此可以把它们集成到一个专用芯片中。这样,既可以实现速度控制,又可以对电流单独控制,还可以和DSP共同构成位置控制系统。如图1所示,若FPGA中集成有CPU内核,则可以把位置、速度、电流3种算法完全由1片FPGA来实现,从而实现真正的片上系统[1][2]。  

图1 异步电机速度控制器系统的集成化结构

图2 三相绕组与二相绕组的轴线设定
　　FPGA将半定制器件逻辑集成度高的优点与标准逻辑器件开发周期短和开发成本低的优点结合在一起后,具有结构灵活、高密度、高性能、开发工具先进、编程完毕后的成品无需测试和可实时在线检验等优点。本文介绍的异步电动机矢量控制调速系统按照模块化设计的基本思想,研究电流矢量控制、速度PI调节、电流 PI调节、反馈速度测量、电流磁链转换、SVPWM、 Clarke变换、 Park变换和Park逆变换等几个主要功能模块的数字结构,并在单片Xilinx FPGA 中完成了主要模块的布局布线,实现异步电机矢量控制速度控制器的专用集成电路[3]。 
1 矢量控制的基本原理 
　　设异步电机三相绕组(A、B、C)与二相绕组(α、β)的轴线设定如图2所示,A相绕组轴线与α相绕组轴线重合,都是静止坐标,分别对应的交流电流为iA、iB、iC和iα、iβ。采用磁势分布和功率不变的绝对变换,三相交流电流在空间产生的磁势F与二相交流电流产生的磁势相等。即采用正交变换矩阵,则其正变换公式为: 

　　其逆变换公式为:
　　

　　由二相静止坐标系(α,β)到二相旋转坐标系(d-q)的变换称为Park变换。α、β为静止坐标系,d-q为任意角速度ω旋转的旋转坐标系。当α、β静止坐标系变换为d-q旋转坐标系时,坐标轴的设定如图3所示。图3中θ为α轴与d轴之间的夹角,d、q绕组在空间垂直放置,加上直流id和iq,并让d、q坐标以同步转速ω旋转,则产生的磁动势与α-β坐标系等效。d-q和α-β轴的夹角θ是一个变量,随负载、转速而变化,在不同的时刻有不同的值。Park变换,写成矩阵形式,其公式如下: 

图3 α-β坐标

图4 速度控制器的数据路径

　　电流内环和速度外环都是按PI控制策略进行调节的,式(5)为双线性变换PI调节器的迭代公式。 
　　O[n]=P[n]+I[n]                        (5) 
　　其中比例项迭代公式为: 
　　P[n]=Kp