作為交流異步電機控制的一種方式，矢量控制技術已成為高性能變頻調速系統的首選方案。矢量控制系統中，磁鏈的觀測精度直接影響到系統控制性能的好壞。在轉子磁鏈定向的矢量控制系統中，轉矩電流和勵磁電流能得到完全解耦[1]。一般而言，轉子磁鏈觀測有兩種方法:電流模型法和電壓模型法。磁鏈的電流模型觀測法中需要電機轉子時間常數，而轉子時間常數易受溫度和磁飽和影響。為克服這些缺點，需要對電機的轉子參數進行實時觀測，但這樣將使得系統更加的復雜。磁鏈的電壓模型觀測法中不含轉子參數，受電機參數變化的影響較小。矢量控制計算量大，要求具有一定的實時性，從而對控制芯片的運算速度提出了更高的要求。 　　本文介紹了一種異步電機矢量控制系統的設計方法，采用了電壓模型觀測器[2]對轉子磁鏈進行估計，針對積分環節的誤差積累和直流漂移問題，采用了一種帶飽和反饋環節的積分器[3]來代替電壓模型觀測器中的純積分環節。整個算法在tms320f2812 dsp芯片上實現，運算速度快，保證了系統具有很好的實時性。 異步電機矢量控制策略 矢量控制系統組成 矢量控制的基本原理是:根據磁鏈等效原則，利用坐標變換將三相系統等效為兩相系統，再經過按轉子磁場定向的同步旋轉變換將定子電流分解為相互正交的兩個分量勵磁電流分量isd與轉矩電流分量isq，即用這兩個電流分量所產生的電樞反應磁場來等效原來定子三相繞組電流所產生的電樞反應磁場。然后分別對isd和isq進行獨立控制，這樣就可以將一臺三相異步電動機等效為直流電動機來控制，因而可獲得與直流調速系統同樣好的靜態及動態性能。 　　本文所介紹的異步電機矢量控制系統的原理框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1　感應電機矢量控制系統[/align] 　　系統采用速度外環控制、電流內環控制的雙閉環結構形式。當系統運行的同步頻率在電機額定頻率以下時，激磁電流isd為電機額定激磁電流，在額定頻率以上時采用弱磁控制。圖1所示系統中采用了3個pi調節器。轉速調節器根據轉速差輸出轉矩電流的給定值，轉矩電流調節器和勵磁電流調節器分別調節轉矩電流和勵磁電流分量。轉子磁鏈觀測器根據實際電機輸入電流、電壓觀測出轉子磁鏈的大小和角度。 轉子磁鏈觀測 從控制理論的角度來講，一個控制系統的精度主要取決于反饋信號的精度。所以按轉子磁鏈定向矢量控制的精度主要取決于磁鏈估計的精度。而由異步電機的磁鏈電壓觀測方程式 　　 可知，磁鏈是由反電動勢積分得到，為了解決純積分帶來的積分器飽和初值等問題，本系統采用了帶飽和反饋環節的積分器[3]來代替純積分環節，其原理框圖如圖2所示。 　　磁鏈觀測器的輸出為: 　　其中， 。所以當[img=57,20]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf30.jpg[/img]時，磁鏈觀測模型為: 　　上述觀測模型變為一純積分環節，即普通的電壓觀測模型。當[img=56,20]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf32.jpg[/img]時，磁鏈觀測模型為: 　　由上式可知，當合理選取[img=12,16]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf34.jpg[/img]的大小時，即使輸入存在直流偏置信號，轉子磁鏈觀測模型輸出也不會出現積分飽和，能有效抑制直流偏移。模型中[img=12,16]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf34.jpg[/img]的選取很關鍵，[img=12,16]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf34.jpg[/img]選取過大會造成輸出有較大的直流分量，[img=12,16]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf34.jpg[/img]選取過小會造成輸出有較大失真。在本系統中取[img=53,21]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-2/___wmf36.jpg[/img]（轉子磁鏈給定）。 [font=黑體][color=black]矢量控制系統的硬件實現 [/color][/font]　　基于tms320f2812的矢量控制方案組成的交流變頻調速系統的結構框圖如圖3所示。 [align=left]　　整個系統為交直交變壓變頻電路，由主回路、控制回路和輔助回路三大部分組成。系統主電路采用的變頻器是交－直－交電壓源型變壓變頻器，由二極管整流器和六管封裝的igbt功率模塊組成逆變器。控制回路采用數字化設計，以dsp數字處理器為核心，來完成矢量控制核心算法、svpwm脈沖的產生、相關電流的檢測處理、與上位機的通信等。輔助回路則為開關電源部分，為系統中各芯片提供所需的電壓。 [font=arial black]dsp tms320f2812 [/font]　　整個系統控制策略的實現由dsp（tms320f1812）來實現。它是ti公司專為電機控制而設計的定點芯片，其主頻可達150mhz。片內兩個事件管理器（eva和evb）各有2個通用定時器，6個帶可編程死區功能的pwm輸出通道，2個外部硬件中斷引腳,6個捕獲單元和2個正交編碼單元。這些功能模塊極大的方便了電機控制過程中的算法運算和數據輸出等。 功率驅動部分 　　異步電機的功率驅動為交－直－交pwm方式，采用pim（power integrated module）功率模塊fp75r12ke3，其中包含有三相不可控整流電路和由6個igbt構成的逆變電路以及一個供能耗制動時用的igbt。dsp的pwm1～6腳提供pwm觸發信號，經隔離驅動電路來控制功率模塊中的igbt的通斷，實現svpwm逆變輸出。同橋臂的兩路pwm觸發信號采用互鎖輸出，能在硬件上有效防止橋臂的直通現象。同時在相應故障引腳輸出故障信號至dsp的pdpinta引腳，通過硬件中斷，封鎖pwm脈沖輸出。 [font=黑體]開關電源部分[/font] 　　開關電源采用單端反激式拓撲設計[4]，控制芯片采用電流型pwm發生芯片uc3844，通過調整諧振電阻和諧振電容使其工作在80khz。控制方式采取電壓外環控制和峰值電流內環控制模式。tl431和光耦nec2501組成輸出電壓取樣電路，將變壓器的二次側的輸出電壓反饋給uc3844。uc3844將實際反饋的電壓與其自身產生的2.5v基準電壓比較，產生輸出電壓誤差，經誤差放大器后作為門限電壓，構成電壓外環。同時對開關變壓器的原邊電流采樣，并將門限電壓和電流采樣電壓一起送到電流比較器，形成電流內環。當電流采樣電壓大于門限電壓后，比較器輸出關斷功率管，并保持這種狀態直至下一個周期。所以根據輸出電壓的變化，經調節后使脈寬調制器輸出脈沖寬度作相應變化，從而以達到穩定輸出電壓的目的。[/align][font=黑體][color=black]仿真與實驗結果 [/color][/font]　　本文采用matlab對圖2所示的轉子磁鏈觀測模型進行了仿真，得到的仿真波形如圖4和圖5所示。 　　本系統的實驗是在一臺11kw的y型接法的三相異步電機上進行的，dsp tms320f2812 的時鐘頻率設為150mhz，svpwm的開關頻率為5khz，死區時間為3.2μs。當頻率為20hz時的電壓電流波形如圖6所示，頻率為40hz時的電流，電壓波形如圖7所示。 [font=黑體][color=black][b]結語 [/b][/color][/font]　　本文詳細介紹了基于dsp的異步電機矢量控制系統各部分的設計方法，該系統具有硬件電路簡單、結構靈活等特點。所采用的帶飽和反饋環節的電壓觀測模型對轉子磁鏈的觀測精度高，能有效抑制直流漂移和初始值不確定等造成的誤差。仿真和實驗證明，采用此設計方法設計的異步電機矢量控制系統具有很好的控制性能。