本文介绍了一种异步电机矢量控制系统的设计方法，采用了电压模型观测器[2]对转子磁链进行估计，针对积分环节的误差积累和直流漂移问题，采用了一种带饱和反馈环节的积分器[3]来代替电压模型观测器中的纯积分环节。整个算法在tms320f2812 dsp芯片上实现，运算速度快，保证了系统具有很好的实时性。
异步电机矢量控制策略
矢量控制系统组成
矢量控制的基本原理是:根据磁链等效原则，利用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换将定子电流分解为相互正交的两个分量励磁电流分量isd与转矩电流分量isq，即用这两个电流分量所产生的电枢反应磁场来等效原来定子三相绕组电流所产生的电枢反应磁场。然后分别对isd和isq进行独立控制，这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，因而可获得与直流调速系统同样好的静态及动态性能。
本文所介绍的异步电机矢量控制系统的原理框图如图1所示。
图1 感应电机矢量控制系统
系统采用速度外环控制、电流内环控制的双闭环结构形式。当系统运行的同步频率在电机额定频率以下时，激磁电流isd为电机额定激磁电流，在额定频率以上时采用弱磁控制。图1所示系统中采用了3个pi调节器。转速调节器根据转速差输出转矩电流的给定值，转矩电流调节器和励磁电流调节器分别调节转矩电流和励磁电流分量。转子磁链观测器根据实际电机输入电流、电压观测出转子磁链的大小和角度。
转子磁链观测
从控制理论的角度来讲，一个控制系统的精度主要取决于反馈信号的精度。所以按转子磁链定向矢量控制的精度主要取决于磁链估计的精度。而由异步电机的磁链电压观测方程式
（1）可知，磁链是由反电动势积分得到，为了解决纯积分带来的积分器饱和初值等问题，本系统采用了带饱和反馈环节的积分器[3]来代替纯积分环节，其原理框图如图2所示。
磁链观测器的输出为:
（2）
，
为电机反电动势;为饱和环节的输出。当转子观测磁链小于等于转子磁链的给定值，即
时，
;当转子观测磁链大于转子磁链的给定值，即
时，
时，磁链观测模型为:
（3）
时，磁链观测模型为:
（4）
的大小时，即使输入存在直流偏置信号，转子磁链观测模型输出也不会出现积分饱和，能有效抑制直流偏移。模型中的选取很关键，选取过大会造成输出有较大的直流分量，选取过小会造成输出有较大失真。在本系统中取
（转子磁链给定）。矢量控制系统的硬件实现
基于tms320f2812的矢量控制方案组成的交流变频调速系统的结构框图如图3所示。
图2 带饱和反馈的转子磁链电压观测模型
图3 矢量控制系统电路结构图
整个系统为交直交变压变频电路，由主回路、控制回路和辅助回路三大部分组成。系统主电路采用的变频器是交－直－交电压源型变压变频器，由二极管整流器和六管封装的igbt功率模块组成逆变器。控制回路采用数字化设计，以dsp数字处理器为核心，来完成矢量控制核心算法、svpwm脉冲的产生、相关电流的检测处理、与上位机的通信等。辅助回路则为开关电源部分，为系统中各芯片提供所需的电压。
dsp tms320f2812
整个系统控制策略的实现由dsp（tms320f1812）来实现。它是ti公司专为电机控制而设计的定点芯片，其主频可达150mhz。片内两个事件管理器（eva和evb）各有2个通用定时器，6个带可编程死区功能的pwm输出通道，2个外部硬件中断引脚,6个捕获单元和2个正交编码单元。这些功能模块极大的方便了电机控制过程中的算法运算和数据输出等。
功率驱动部分
异步电机的功率驱动为交－直－交pwm方式，采用pim（power integrated module）功率模块fp75r12ke3，其中包含有三相不可控整流电路和由6个igbt构成的逆变电路以及一个供能耗制动时用的igbt。dsp的pwm1～6脚提供pwm触发信号，经隔离驱动电路来控制功率模块中的igbt的通断，实现svpwm逆变输出。同桥臂的两路pwm触发信号采用互锁输出，能在硬件上有效防止桥臂的直通现象。同时在相应故障引脚输出故障信号至dsp的pdpinta引脚，通过硬件中断，封锁pwm脉冲输出。
开关电源部分
开关电源采用单端反激式拓扑设计[4]，控制芯片采用电流型pwm发生芯片uc3844，通过调整谐振电阻和谐振电容使其工作在80khz。控制方式采取电压外环控制和峰值电流内环控制模式。tl431和光耦nec2501组成输出电压取样电路，将变压器的二次侧的输出电压反馈给uc3844。uc3844将实际反馈的电压与其自身产生的2.5v基准电压比较，产生输出电压误差，经误差放大器后作为门限电压，构成电压外环。同时对开关变压器的原边电流采样，并将门限电压和电流采样电压一起送到电流比较器，形成电流内环。当电流采样电压大于门限电压后，比较器输出关断功率管，并保持这种状态直至下一个周期。所以根据输出电压的变化，经调节后使脉宽调制器输出脉冲宽度作相应变化，从而以达到稳定输出电压的目的。
仿真与实验结果dsp tms320f2812
整个系统控制策略的实现由dsp（tms320f1812）来实现。它是ti公司专为电机控制而设计的定点芯片，其主频可达150mhz。片内两个事件管理器（eva和evb）各有2个通用定时器，6个带可编程死区功能的pwm输出通道，2个外部硬件中断引脚,6个捕获单元和2个正交编码单元。这些功能模块极大的方便了电机控制过程中的算法运算和数据输出等。
功率驱动部分
异步电机的功率驱动为交－直－交pwm方式，采用pim（power integrated module）功率模块fp75r12ke3，其中包含有三相不可控整流电路和由6个igbt构成的逆变电路以及一个供能耗制动时用的igbt。dsp的pwm1～6脚提供pwm触发信号，经隔离驱动电路来控制功率模块中的igbt的通断，实现svpwm逆变输出。同桥臂的两路pwm触发信号采用互锁输出，能在硬件上有效防止桥臂的直通现象。同时在相应故障引脚输出故障信号至dsp的pdpinta引脚，通过硬件中断，封锁pwm脉冲输出。
开关电源部分
开关电源采用单端反激式拓扑设计[4]，控制芯片采用电流型pwm发生芯片uc3844，通过调整谐振电阻和谐振电容使其工作在80khz。控制方式采取电压外环控制和峰值电流内环控制模式。tl431和光耦nec2501组成输出电压取样电路，将变压器的二次侧的输出电压反馈给uc3844。uc3844将实际反馈的电压与其自身产生的2.5v基准电压比较，产生输出电压误差，经误差放大器后作为门限电压，构成电压外环。同时对开关变压器的原边电流采样，并将门限电压和电流采样电压一起送到电流比较器，形成电流内环。当电流采样电压大于门限电压后，比较器输出关断功率管，并保持这种状态直至下一个周期。所以根据输出电压的变化，经调节后使脉宽调制器输出脉冲宽度作相应变化，从而以达到稳定输出电压的目的。
本文采用matlab对图2所示的转子磁链观测模型进行了仿真，得到的仿真波形如图4和图5所示。
图4 纯积分器和带饱和特性反馈的积分器比较
其中图4中曲线1为带直流偏移的输入信号，曲线2为普通电压观测模型的输出信号，曲线3为带饱和反馈的电压观测模型的输出信号。可以看出，因为正的直流偏移的加入，曲线2随着误差的累积，出现了明显的偏差。而曲线3经饱和特性环节的反馈作用后，曲线的上部仅有一些失真。图5为采用图2所示的磁链观测模型所得到的转子磁链的观测波形，从中可以看出磁链信号良好的正弦度。
图5 转子磁链信号李萨育波形
本系统的实验是在一台11kw的y型接法的三相异步电机上进行的，dsp tms320f2812 的时钟频率设为150mhz，svpwm的开关频率为5khz，死区时间为3.2μs。当频率为20hz时的电压电流波形如图6所示，频率为40hz时的电流，电压波形如图7所示。
6 20hz时输出电压、电流波形
图7 40hz时输出电压、电流波形
结语本文详细介绍了基于dsp的异步电机矢量控制系统各部分的设计方法，该系统具有硬件电路简单、结构灵活等特点。所采用的带饱和反馈环节的电压观测模型对转子磁链的观测精度高，能有效抑制直流漂移和初始值不确定等造成的误差。仿真和实验证明，采用此设计方法设计的异步电机矢量控制系统具有很好的控制性能。
