异步电机矢量控制的数字化系统的设计与实现

摘要：为了满流传动系统对异步电机控制的要求，根据异步电机的工作原理和矢量控制的原理，详细分析了空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法和控制实现方法，建立了以TMS320F2812型DSP为控制核心的异步电机矢量控制数字化实验平台，实现了对异步电机的高效控制。实验结果表明，该数字化系统具有良好的性能，实现方法简单有效便于工程实际应用。

关键词：异步电机 矢量控制 空间矢量脉冲调制 TMS320F2812

1 引言

矢量控制以磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系下的交流量变换到旋转坐标系下的直流量，可以将定子电流分为励磁电流与转矩电流进行分别控制，进而控制异步电机的转矩、转速[1]，从而使电机的控制效果达到直流电机的控制效果。

本文采用基于转子磁场定向的矢量控制结合SVPWM对异步电机进行控制[2，3]。以三相对称正弦电压供电时的理想圆形磁通为基准，用逆变器不同开关模式进行组合，使实际磁通逼近基准磁通。以TMS320F2812型DSP为控制核心，进行了数字化异步电机调速控制系统的研究。

2 SVPWM原理及实现

2.1 SVPWM原理

交流电机的对称三相正弦供电电压所合成的电压矢量Us是一个旋转的空间矢量，以角速度ω=2πf按逆时针方向匀速旋转。

逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，定义开关函数 Sx （x=a、b、c） 为：

（Sa、Sb、Sc）的全部可能组合共有八个，6个非零矢量Ul（001）、U2（010）、U3（011）、U4（100）、U5（101）、U6（110）和两个零矢量U0（000）、U7（111），如图1所示。

图 1 电压空间矢量图

2.2电压空间时间作用时间的计算

对于任意的电压矢量，可以通过某两个基本空间矢量来合成，以第一扇区为例：

（2）

其中Ts为参考旋转电压矢量Uref的作用时间，T1和T2分别为电压矢量U4和U6的作用时间，在αβ坐标系下有：

（3）

从上式可以得到，相邻电压空间矢量作用时间T1、T2。为了减少开关次数，加入零矢量。零矢量作用时间为：T0=Ts-T1-T2。

2.3 确定每个扇区内的基本电压作用时间

如果分别用T1和T2来表示同一扇区内相邻电压矢量的作用时间，不同的扇区T1和T2的计算可以归纳为下面的3个值的计算：

（7）

表1 不同扇区内相邻矢量作用时间

根据上述得到的各个扇区中相邻电压空间矢量作用时间，送入DSP比较器中，就可得到六路SVPWM信号。

3 矢量控制数字化平台

选用TI公的TMS320F2812为控制器，设计了矢量控制结合SVPWM的异步电机数字化实验平台的硬件和软件[4]。

3.1 系统硬件设计

系统硬件主要包括控制板电路和功率驱动电路两部分。控制板是以TMS320F2812为核心的控制电路[5][6]。功率驱动板主要包括主电路、IGBT驱动电路、信号检测电路以及保护电路。

3.2 系统软件设计

系统软件采用C语言编写，主要包括主程序和定时器下溢中断程序：主程序主要完成一些初始化程序，定时器下溢中断主要完成异步电机的矢量控制运算。

4 实验结果与分析

在实验中构建了以TMS320F2812为核心的数字实验平台实验。下图为电机线电压波形，可知利用高性能TMS320F2812型DSP芯片的运算能力和快速处理能力，可实现矢量控制与SVPWM调制技术的结合。通过调试，证明了矢量控制良好的运行特性。

图 2 异步电机线电压波形

5 结论

本文通过详细分析SVPWM算法和矢量控制的基础上，构建了基于矢量控制的异步电机数字化控制系统。实验结果表明本系统矢量控制方案有较高的控制精度，并具有良好的运行性能。

参考文献：

[1]李永东.交流电机数字控制系统[M].北京： 机械工业出版社，2002.

[2]阮毅，陈维钧.运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3]孙鹏飞，冯晓云。基于DSP异步电动机矢量控制系统的设计与实现[J].电力电子技术，2010，44（7）：40-41.

[4]罗 辉，胡 泽，王文静.基于DSP的异步电机矢量控制系统设计与实现[J].电力电子技术，2008，42（9）：24-26.

[5]冬雷.DSP原理及电机控制系统应用[M].北京： 北京航空航天大学出版社，2007.