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无速度传感器转子磁场定向感应电机控制系统研究与开发

发布日期:2011-09-24   来源:中国自动化网   作者:中国自动化网   浏览次数:28914
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【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。

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

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。磁场定向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。
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:

 


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,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。

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,软件主程序框图如图3所示,T1下溢中断服务程序框图如图4所示。在实际工作中,由于逆变器的输出电流中含有大量噪声,且当模拟量经过A/D 转换器变为数字量时会附加上转换噪声,因此,必须先对定子电流的实际测量值进行低通滤波。通过软件实现扩展卡尔曼滤波对磁链和转速的估计,以及空间矢量调制算法,获得了令人满意的实验结果。证明扩展卡尔曼滤波算法对磁链和转速的实时估计是非常准确的,由此构成的无速度传感器系统具有良好的静、动态性能。


4实验结果
采用本文推导的控制算法设计的DSP实验开发板,应用于一台1.0Kw三相交流感应电机。实验结果如图所示:图5为三相定子电流,图6为电机转速响应曲线。由实验测的数据我们可知,采用本控制算法可以得到较好波形的三相正弦波,电机的相应速度快,超调小,能实现电机的高性能无速度传感器控制。系统的硬件和软件设计可靠实现了三相电机的控制。


5 结论
综上所述,无速度传感器矢量控制无疑是今后的发展方向,对于矢量控制需要解决的关键问题是转速估计和磁链观测。不论是采用什么估计方法,对变量估计或观测的准确性是至关重要的。如今随着各种新的控制理论的提出,以及具有高速处理能力的微处理器的研制成功,计算的速度不再是限制控制算法的瓶颈,使得人们可以把最新的控制算法用于电机控制,不断地提高矢量控制系统的各种性能。
 
 
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