1　引言 感應電動機具有結構簡單、堅固耐用、轉速高、容量大、運行可靠等優點。但是，由于感應電動機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，磁通和轉矩耦合在一起，不能像直流電動機那樣，磁通和轉矩可以分別控制。所以，一直到20世紀80年代都沒有獲得高性能的感應電動機調速系統。近年來，隨著電力電子技術、現代控制理論等相關技術的發展，使得感應電動機在可調傳動中獲得了越來越廣泛的應用。矢量控制策略的提出，更是實現了磁通和轉矩的解耦控制，其控制效果可媲美直流電動機。 本文在分析感應電動機矢量控制原理的基礎上，基于matlab/simulink建立了感應電動機轉差型矢量控制系統仿真模型，仿真結果證明了該模型的合理性。并在此基礎上進行系統的軟、硬件設計，通過實驗驗證控制策略的正確性。 2　矢量控制的基本原理 長期以來，直流電動機具有很好的運行特性和控制特性，通過調節勵磁電流和電樞電流可以很容易的實現對轉矩的控制。因為它的轉矩在主磁極勵磁磁通保持恒定的情況下與電樞電流成線性關系，所以通過電樞電流環作用就可以快速而準確地實現轉矩控制，不僅使系統具有良好穩態性能，又具有良好的動態性能。但是，由于換向器和電刷的原因，直流電動機有它固有的缺點，如制造復雜，成本高，需要定期維修，運行速度受到限制，難以在有防腐防暴特殊要求的場合下應用等等。 矢量控制的設計思想是模擬直流電動機的控制特點進行交流電動機控制。基于交流電動機動態模型，通過矢量坐標變換和轉子磁鏈定向，得到等效直流電動機的數學模型，使交流電動機的動態模型簡化，并實現磁鏈和轉矩的解耦。然后按照直流電動機模型設計控制系統，可以實現優良的靜、動態性能。 在根據轉子磁鏈定向的兩相同步旋轉坐標系下，感應電動機矢量控制系統的控制方程為： 從式（1）中可以看出，轉子磁鏈ψr僅由定子電流勵磁電流ism產生，與定子電流轉矩分量ist無關，而電磁轉矩te正比于轉子磁鏈和定子電流轉矩分量的乘積，這充分說明了感應電動機矢量控制系統按轉子磁鏈定向可以實現磁通和轉矩的完全解耦。 按轉子磁鏈定向的矢量控制系統的關鍵是準確定向。但是，轉子磁鏈的直接檢測非常困難，而利用磁鏈模型間接估算磁鏈的方法又受到電機參數變化的影響，造成控制的不準確。因此，與其用磁鏈閉環控制而反饋不準，不如采用磁鏈開環控制，使得系統簡單、可靠。采用磁鏈開環的控制方式，無需轉子磁鏈的幅值，但對于矢量坐標變換而言，仍然需要轉子磁鏈的位置信號。由此可知，轉子磁鏈的計算仍然不可避免，如果利用給定值間接計算轉子磁鏈的位置，可簡化系統結構，這種方法稱為間接定向。間接定向的矢量控制系統借助于矢量控制方程中的轉差公式，構成轉差型矢量控制系統[1]。 本文設計了一個轉差型矢量控制系統。其控制思想是:在控制過程中，使電機轉子磁鏈始終保持不變，電機的轉矩就能和穩態工作時一樣，主要由轉差率來決定。按照這個思路，就可以從轉子磁鏈直接得到定子電流m軸分量的給定值，再通過對定子電流的有效控制，避免了磁通的閉環控制。這種控制方法用轉差率和測量的轉速相加后積分來估算轉子磁鏈的位置，結構比較簡單，所能獲得的動態性能基本上可以達到直流雙閉環控制系統的水平。其系統模型如圖1所示。 [align=center][img=567,265]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-01.jpg[/img] 圖1　轉差型矢量控制系統原理圖[/align] 3　系統仿真 根據以上的原理分析，搭建了感應電動機轉差型矢量控制系統模型，利用matlab的工具軟件simulink對系統進行仿真分析。系統仿真模型如圖2所示。 [align=center][img=567,274]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-02.jpg[/img] 圖2　感應電動機轉差型矢量控制系統仿真模型[/align] 在仿真系統中，轉速調節器、轉矩調節器和磁鏈調節器均采用輸出限幅的pi調節。仿真波形如圖3至圖5所示。仿真結果表明磁鏈開環間接型矢量控制系統具有良好的控制性能。 [align=center][img=425,280]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-03.jpg[/img] 圖3　轉速響應 [img=425,277]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-04.jpg[/img] 圖4　三相電流波形 [img=425,297]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-05.jpg[/img] 圖5　輸出轉矩[/align] 4　系統硬件電路設計 由于數字信號處理器dsp具有硬件電路簡單、控制算法靈活，抗干擾能力強、無漂移、兼容性好等優點，現已廣泛應用于交流電動機控制系統中，因此設計采用以dsp作為控制核心的數字控制系統。 系統采用交-直-交變壓變頻電路，輸入單相220v交流電，輸出三相交流電來控制感應電動機。控制電路以dsp芯片tms320lf2407為核心，構成功能齊全的全數字轉差型矢量控制系統。整個系統主要包括主電路和控制電路兩部分。 4.1 主電路 主電路是功率變換的執行機構，包括整流電路、濾波電路、能耗電路和逆變電路。本系統采用交-直-交電壓型主電路，先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續可調的三相交流電。逆變電路采用型號為ir16up60a的ipm模塊，該模塊包含了柵極驅動電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護電路。該智能模塊的應用，減小了裝置的體積，提高了系統的性能與可靠性。 4.2 控制電路 系統的控制電路以tms320lf2407為控制核心，完成電流信號與轉速信號檢測、控制算法的實現以及相應的pwm信號輸出。檢測電路又分為電流檢測和轉速檢測兩部分。 4.2.1 電流檢測 電流信號檢測的結果用于矢量控制的坐標變換，以實現磁鏈和轉矩的解耦。由于y型連接繞組中三相電流瞬時值的總和為0，即ia+ib+ic=0，因此只需檢測其中兩相電流，第三相可由其它兩相信號相加取反獲得。本系統采用chb-25np型電流霍爾傳感器（見圖6），將檢測到的電流按200:1的變比在副邊輸出。由于tms320lf2407片內a/d轉換器的允許輸入為0-3.3v的單極型信號，故采集到的電流信號需經過電壓偏移電路和限幅電路后進入dsp的a/d轉換輸入通道。 [align=center][img=425,129]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-06.jpg[/img] 圖6　電流采樣電路[/align] 4.2.2 轉速檢測 轉速檢測是速度閉環控制系統的關鍵，其精度將直接影響調速系統的控制精度和穩定性。本系統采用增量式光電編碼器，光電碼盤的脈沖數為2048，它由5 v電壓供電，有六路輸出，即為a+、a-、b+、b-、z+、z-。其中a、b用于測速，它們相位相差90°，每轉一周，輸出2048個脈沖；而z軸每轉一周輸出一個脈沖，用于確定轉子的空間位置。轉速采集電路如圖7所示。 [align=center][img=567,360]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-07.jpg[/img] 圖7　轉速采集電路[/align] 將增量式光電編碼器輸出的信號a+、a-、b+、b-、z+、z-輸入ds3486m，ds3486m具有抗干擾能力，可以提高傳輸的精度，使得速度信號可以遠距離的傳輸。輸出的信號經過一組反相器對波形進行整形，然后輸入到dsp中的正交編碼脈沖電路（qep電路）。通過正交編碼脈沖電路便可獲得感應電動機的轉子位置和轉速信息。 5　系統的軟件設計 本系統的軟件由兩部分構成:主程序和pwm中斷服務子程序組成（見圖8）。主程序中對硬件和變量初始化，對各個控制寄存器置初值，對運算過程中使用的各種變量分配地址并設置相應的初值。初始化模塊僅在dsp上電復位后執行一次，然后進入循環等待時期。中斷服務子程序是系統的核心部分，負責a/d轉換、速度計算、坐標變換、pi調節、生成pwm信號等[2]。 [align=center][img=425,1097]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-4/xuqiwei-08.jpg[/img] 圖8　pwm中斷程序流程圖[/align] 6　實驗研究 在完成控制系統的硬件設計、軟件編程調試后，對系統的運行性能進行了實驗研究。圖9為感應電動機的穩態電流波形，圖10為轉速響應曲線，很好的跟隨了轉速給定。 7　結束語 本文采用tms320lf2407設計了感應電動機轉差型矢量控制系統，通過理論分析、仿真研究和實驗結果證實:磁鏈開環間接型矢量控制系統具有良好的靜、動態性能。同時，為實現更為復雜的控制算法提供了基礎，也為實際感應電動機矢量控制系統的設計和調試提供了思路。 作者簡介 徐奇偉（1983-）　男　哈爾濱工業大學電氣工程系在讀碩士研究生　研究方向為電機驅動控制。 參考文獻 [1] 阮毅,陳維鈞. 運動控制系統. 北京:清華大學出版社,2006 [2] 王曉明,王玲. 電動機的dsp控制. 北京:航空航天大學出版社,2004