交流异步电动机矢量控制系统的嵌入式设计

交流异步电动机调速系统的矢量控制技术是上世纪70年代迅速发展起来的一种新型控制技术，它通过矢量的坐标变换使交流异步电动机获得如同直流电动机一样良好的动静态调速特性。由于交流异步电动机是非线性、强耦合、多变量的时变参数系统，对其进行控制较为复杂，通过普通的单片机难以实现较好的实时性和快速性控制的效果。随着数字信号处理器(DSP)的推出，全面数字化的交流调速系统发展十分迅速。TMS320LF2407A是TI公司专为电机控制设计的高性能、低价位的定点DSP芯片，以16位定点CPU为内核，配置了较完备的外围设备，形成了真正的单芯片控制器。为了有效管理多任务并满足系统的实时性要求，需要使用嵌入式实时操作系统。μc／OS-Ⅱ是一个源代码开放的实时操作系统，具有可剥夺实时内核、可移植性强、多任务、执行时间可确定性等特点。

1 矢量控制系统的基本原理

交流异步电动机的矢量控制系统是按磁场定向的矢量控制系统。其基本思想是模拟直流电动机控制，在遵循磁势和功率不变的原则下，利用坐标变换将交流电动机的三相系统等效为直流电动机的两相系统，经过按转子磁场定向的同步旋转变换，实现对定子电流励磁分量和转矩分量之间的解耦，从而达到分别控制交流异步电动机的磁链和转矩的目的。

1.1 矢量坐标变换

Clarke变换是将三相平而坐标系OABC向两相平面直角坐标系Oαβ的转换。其变换和逆变换矩阵分别为：


Park变换是将两相静止直角坐标系Oαβ向两相旋转直角坐标系OMT的转换。其变换和逆变换矩阵分别为：


式中，φS为M轴与α轴的夹角。

1.2 转子磁链位置的计算

交流异步电动机的转子机械转速不等于转予磁链转速，因此，不能通过佗置传感器或速度传感器直接检测到交流异步电动机的转子磁链位置，而需要在OMT坐标系中，通过对电动机的电流模型得出：


进行离散化处理，得到下式：


式中，K为常数327.68。

由式(7)、(8)、(9)即可求出转子磁链的位置θ。

1.3 矢量控制系统分析

该系统是采用转速和电流双闭环控制的矢量控制系统，原理图如图1所示。


通过霍尔传感器测量智能功率模块(IPM)输出的定子电流iA、iB，经过DSP的A／D转换器转换成数字量，并利用式iC=-(iA+iB)计算出iC。通过Clarke变换和Park变换将电流iA、iB、iC变换成旋转坐标系中的直流分量iM、iT，iM、iT作为电流环的负反馈量。利用1024线的增量式编码器测量电动机的机械转角位移，并将其转换成转速n。转速n作为速度环的负反馈量。由于交流异步电动机的转子机械转速与转子磁链转速不同步，所以用电流一磁链位置转换模块求出转子磁链位置，用于参与Park变换和逆变换的计算。

给定转速n*与转速反馈量n的偏差，经过速度PI调节器输出用于转矩控制的电流T轴参考分量iT*。iT*和iM*(设为零值)与电流反馈量iT、iM偏差经过电流PI调节器，分别输出M、T旋转坐标系的相电压分量VM*、VT*。VM*、VT*再通过Park逆变换转换成α、β直角坐标系的定子相电压欠量的分量Vα*、Vβ*。当定子相电压矢量的分量Vα*、Vβ*和其所在的扇区数已知时，就可以利用电压空间矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制智能功率模块6个桥臂的通断。

以上过程可以采用软件实现，从而对交流异步电动机实施全数字实时控制。

2 系统的硬件设计

系统采用交-直-交电压源型变频电路，主电路由整流电路、滤波电路以及智能功率模块(1PM)逆变电路构成，控制电路以DSP芯片TMS320LF2407A为核心，辅以电流电压信号采集、速度检测、过压过流保护、人机接口以及上位机通信等单元，从而构成功能齐全的全数字矢量控制系统。

该系统的参数由上位机通过RS232接口下传给下位机，DSP负责采样各相电流、计算电动机的转速和位置，最后运用矢量控制算法得到电压空间矢量SVPWM控制信号，经过隔离光耦HCPL4504，驱动逆变器功率开关器件；同时DSP还监控变频调速系统的运行状态，当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时，DSP将封锁SVPWM信号使电动机停机，并通过LCD进行显示。系统结构如图2所示。

下位机控制的核心芯片采用TMS320LF2407A，其主频为40MHz。关于该芯片的介绍，详见参考文献。下面简述系统的主要硬件模块。


2.1 智能功率模块IPM

系统使用的IPM是三菱公司生产的PM25RSA120。它由7个IGBT单元封装，额定电压为1 200V，额定电流为25A。IPM与普通IGBT模块相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高，使设计和开发变得简单。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器尺寸减小，因而系统尺寸也减小。尤其是IPM集成了驱动和保护电路，使系统的硬件电路简单可靠，并提高了故障情况下的自保护能力。IPM模块内置保护功能有：控制电源欠压锁定、过热保护、过流保护、短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路动作，则IGBT栅驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号。