电机装置的设计与研发

来源：塑胶五金网发布时间：2014-09-16 14:23:35点击率：

　　转差频率矢量控制系统具有多种优点。它采用矢量控制，即不但控制被控量的大小，而且要控制其相位。在Blascheke提出的转子磁场定向矢量控制系统(FOC)中，通过坐标变换和电压补偿，巧妙地实现了异步电动机磁通和转矩的解耦和闭环控制。有时为简化控制系统的结构，可以直接忽略转子磁通的过渡过程，即在转子方程中，令Ψr d≈L m i sd，于是得到d轴电流，而q轴电流可直接从转矩参考值，即转速调节器的输出中求得。

　　三相异步电动机转子的转速为：n = n 0(1 - s) = 60 f (1 - s) / p(1)由(1)式所示，改变定子绕组供电电源频率f可以改变三相异步电动机转子的转速，这种调速简称变频调速。

　　它具有调速范围广、效率高、节能等优点，在当前具有非常广泛的应用前景。

　　1TMS 320 L F 2407 A的特点及其优势系统控制芯片采用TI的DSP ： TMS320L F2407A ，之所以选用该芯片，主要有以下几点考虑：(1)采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3. 3 V ，减小了控制器的损耗; 快40 MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25 ns(40 Mhz) ，从而提高了控制器的实时控制能力。

　　(2)片内有高达32 K字的FLASH程序存储器，高达1. 5 K字的数据/程序RAM ，544字双口RAM(DARAM)和2 K字的单口RAM(SARAM) .

　　(3) 2个事件管理器EVA和EVB ，每个包括2个16位通用定时器和8个16位的脉宽调制通道。

　　它们能够实现：三相反相器控制;PWM的对称和不对称波形;当外部引脚PDPIN Tx出现低电平时快速关断PWM通道，这对于智能功率模块(IPM)和交流电机的保护非常有利;可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲，从而防止短路的发生;3个捕获单元;片内光电编码器接口电路(QEP) ，这使得全数字调速系统的闭环实现(速度环)更为方便;16通道10位精度A/ D转换器，小转换时间500 ns ，可选择2个事件管理器来触发2个8通道A/ D转换器或者一个16通道A/ D转换器，这个A/ D模块可以方便地进行电机三相电流的采样，从而构成闭环系统的电流环;SVPWM模块，这使得PWM的产生更加方便。事件管理器模块是其关键部分，它适用于控制交流感应电机、同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机和电流变换器。

　　这些特性使得全数字控制系统应用于交流电机调速成为可能。相对于传统的模拟控制或者模拟、数字混合控制系统而言，全数字控制系统有以下优点：①精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器硬件成本。②改善系统可靠性。③数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响。④可以设计统一的硬件电路，以适应不同的电机控制系统。⑤可以完成复杂的功能，指令、反馈、校正、运算、判断、监控、报警、数据处理、故障诊断、状态估计、触发控制、PWM脉冲产生以及坐标变换等。

　　2系统控制原理全数字交流调速系统设计框图如所示。

　　整个调速系统都是基于以上框架进行实现的，采用的是空间转子磁场定向。通过霍尔获得电机电流的反馈，通过DSP的QEP单元实现速度反馈(虚线内为DSP实现的坐标变换以及其它数字运算) .因此，在系统实现过程中，其关键部分就在于对电流的解耦。

　　这是因为转子磁场和转子实际旋转位置之间存在着一个差角：转差角。： i d， i q分别为解耦后的磁场电流和转矩电流; iα， iβ为固定坐标系下的电流分解;θe，θsl，θr分别指转子磁链相对于横轴的角度、转差角以及转子实际位置。

　　所谓转子磁场空间定向，就是将Park坐标变换的d轴定义在转子磁场方向上，这样就得到以下转子磁场以及力矩的方程：ψ∧r = L m i ds(2)

　　T e = 3 kψ∧r i qs / 4(3)式中： k为一个与电机参数相关的常数。

　　将(2)式代入(3)式中可得：T e = 3 kL m i ds i qs / 4(4)由(4)式，可得到以下结论：转子磁场矢量(方向和大小)只与d轴电流相关，而转矩则与d轴、轴电流分量都有关。

　　但若要求空间磁场为定值的情况下，即d轴电流分量为定值，那么转矩就只与q轴分量相关。

　　但是，由可以看出，解耦中所需要的θe角与转子实际电角度θr之间存在一个差角θsl，如果这个差角没有得到准确的估计，那么解耦就会失败。

　　3系统软件实现方案系统软件主要完成以下功能：(1)速度采样和处理通过DSP的QEP单元实现速度的采样，并且进行标幺化处理。

　　为了保证速度的稳定性，软件采用了变周期采样，不同的速度段采用不同的速度采样周期。

　　(2)电流采样通过2407自带的AD单元进行采样，采样周期为100μs，同时进行数字滤波。

　　(3)位置环、速度环和电流环的调节器设计。位置环采用的是变比例调节方式，从而实现位置跟随快速性和无超调性;速度环和电流环都是采用PI调节器实现。

　　(4)脉宽调制系统采用空间矢量PWM(SVPWM) ，它依据逆变器的开关逻辑将转子磁场空间划分为6个区间，在各部分对定子电压矢量进行分解，从而得到实际产生PWM波形所需的参数。

　　伺服系统软件由DSP事件管理器A的定时器1周期中断来触发。作为全数字调速系统，对反馈量的数字处理非常重要。鉴于选用的DSP为16位运算，因此对数字量进行了标幺化处理，这样表示的数字范围可以大大增加，而且对于运算也可以进行简化。但是它产生的问题就是需要小数表示，所以软件运算中的数字量采用4. 12格式实现，即4位整数，12位小数。当然在运算精度比较高时也可以采用其它格式的表示方法。

　　4试验结果及分析试验采用的异步电机参数为：额定转速1 430 r/ min ，额定电流4. 9 A ，额定功率2. 2 kW ，磁极对数为2.将异步电机与一直流电机相连，异步电机运转时，直流电机起发电机的作用，以驱动3个100 W的灯泡为负载。指令速度为500 r/ min时的速度响应曲线。为脉冲响应位置跟随曲线。是位置跟随过程中的速度响应曲线。

　　采用双闭环矢量控制系统后，在速度精度、抑制超调、抗扰动方面都有很大的提高，该系统在低速性能上较其它方案也有很大的改善。因此，在此速度环、电流环的基础上，加入位置环后实现的伺服系统也能够达到很好的性能指标。

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