可靠性和實時性是對控制系統(tǒng)的基本要求,最初的電機控制都是采用分立元件的模擬電路。隨著電子技術(shù)的進步,以脈寬調(diào)制(pwm)為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電機控制中。在數(shù)字化趨勢廣泛流行的今天,集成電路甚至電機控制專用集成電路已大量應(yīng)用在電機控制中。特別是最近幾年興起一種全新的設(shè)計思想,即基于現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)的硬件實現(xiàn)技術(shù)。該技術(shù)可以應(yīng)用于基于矢量控制的異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中。fpga本身是標準的單元陣列,沒有一般的ic所具有的功能,但用戶可以根據(jù)自己的需要,通過專門的布局布線工具對其內(nèi)部進行編程,在最短的時間內(nèi)設(shè)計出自己的專用集成電路,從而大大地提高了產(chǎn)品的競爭力。由于fpga以純硬件的方式進行并行處理,而且不占用cpu的資源,使系統(tǒng)可以達到很高的性能。這種設(shè)計方法應(yīng)用于異步電機矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)時,一般把電流控制作為dsp 的協(xié)處理,轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子磁鏈算法由dsp 主機來實現(xiàn)。一般情況下,位置控制比較靈活,很難做到通用性,所以位置環(huán)節(jié)一般由dsp來完成,但速度控制和電流控制具有通用性,因此可以把它們集成到一個專用芯片中。這樣,既可以實現(xiàn)速度控制,又可以對電流單獨控制,還可以和dsp共同構(gòu)成位置控制系統(tǒng)。如圖1所示,若fpga中集成有cpu內(nèi)核,則可以把位置、速度、電流3種算法完全由1片fpga來實現(xiàn),從而實現(xiàn)真正的片上系統(tǒng)[1][2]。

fpga將半定制器件邏輯集成度高的優(yōu)點與標準邏輯器件開發(fā)周期短和開發(fā)成本低的優(yōu)點結(jié)合在一起后,具有結(jié)構(gòu)靈活、高密度、高性能、開發(fā)工具先進、編程完畢后的成品無需測試和可實時在線檢驗等優(yōu)點。本文介紹的異步電動機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計的基本思想,研究電流矢量控制、速度pi調(diào)節(jié)、電流 pi調(diào)節(jié)、反饋速度測量、電流磁鏈轉(zhuǎn)換、svpwm、 clarke變換、 park變換和park逆變換等幾個主要功能模塊的數(shù)字結(jié)構(gòu),并在單片xilinx fpga 中完成了主要模塊的布局布線,實現(xiàn)異步電機矢量控制速度控制器的專用集成電路[3]。

1 矢量控制的基本原理

設(shè)異步電機三相繞組(a、b、c)與二相繞組(α、β)的軸線設(shè)定如圖2所示,a相繞組軸線與α相繞組軸線重合,都是靜止坐標,分別對應(yīng)的交流電流為ia、ib、ic和iα、iβ。采用磁勢分布和功率不變的絕對變換,三相交流電流在空間產(chǎn)生的磁勢f與二相交流電流產(chǎn)生的磁勢相等。即采用正交變換矩陣,則其正變換公式為:

由二相靜止坐標系(α,β)到二相旋轉(zhuǎn)坐標系(d-q)的變換稱為park變換。α、β為靜止坐標系,d-q為任意角速度ω旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標系。當α、β靜止坐標系變換為d-q旋轉(zhuǎn)坐標系時,坐標軸的設(shè)定如圖3所示。圖3中θ為α軸與d軸之間的夾角,d、q繞組在空間垂直放置,加上直流id和iq,并讓d、q坐標以同步轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn),則產(chǎn)生的磁動勢與α-β坐標系等效。d-q和α-β軸的夾角θ是一個變量,隨負載、轉(zhuǎn)速而變化,在不同的時刻有不同的值。park變換,寫成矩陣形式,其公式如下:

矢量控制亦稱磁場定向控制,其基本思路是:模擬直流電機的控制方法進行控制,根據(jù)磁勢和功率不變的原則通過正交變換,將三相靜止坐標變換成二相靜止坐標(clarke變換即3φ/α-β變換,其坐標變換關(guān)系如圖2,定量關(guān)系如公式(1)),然后通過旋轉(zhuǎn)變換將二相靜止坐標變成二相旋轉(zhuǎn)坐標(park變換,即(α-β/d-q變換,坐標變換關(guān)系如圖3,定量關(guān)系如公式(3))。在α-β/d-q變換下將定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的2個直流分量id、iq(其中id為勵磁電流分量,iq為轉(zhuǎn)矩電流分量),并對其分別加以控制,控制id就相當于控制磁通,而控制iq就相當于控制轉(zhuǎn)矩。

2個直流分量id和iq分別由速度和電流pi調(diào)節(jié)器經(jīng)電流電壓變換和clarke逆變換(坐標變換關(guān)系如圖2,定量關(guān)系如公式(2))、park逆變換(坐標變換關(guān)系如圖3,定量關(guān)系如式(4))和電壓空間矢量變換后,獲得控制逆變器的6路pwm信號,從而實現(xiàn)對異步電機的變壓變頻控制。

2 控制器的數(shù)字硬件設(shè)計

異步電機速度控制器的數(shù)字硬件設(shè)計主要包括clarke變換、clarke逆變換;park變換、park逆變換;電流pi調(diào)節(jié)模塊、速度pi調(diào)節(jié)模塊;電壓空間矢量模塊;轉(zhuǎn)子磁鏈計算模塊和速度檢測模塊等幾個不同部分。矢量控制異步電機調(diào)速系統(tǒng)的主電路和數(shù)據(jù)運算路徑如圖4所示。