基于FPGA的電機(jī)DSVM直接轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)

樓 忠 興

（浙江義烏工商學(xué)院計算機(jī)工程系, 浙江 義烏 322000）

基于FPGA的電機(jī)DSVM直接轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)

樓 忠 興

（浙江義烏工商學(xué)院計算機(jī)工程系, 浙江 義烏 322000）

針對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方案中轉(zhuǎn)矩波動問題，提出了一種基于離散空間矢量調(diào)制(DSVM)技術(shù)的電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA作為核心器件，極大地減少了分離元件的使用，具有極大的靈活性、擴(kuò)展性和通用性，抗干擾能力強(qiáng)。仿真和實驗結(jié)果證明了所提出的基于 DSVM 電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制算法能夠有效減小轉(zhuǎn)矩脈動。

直接轉(zhuǎn)矩控制；DSVM；FPGA

引言

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(簡稱DTC)是繼矢量控制之后又一高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)[1]。其是根據(jù)磁鏈、轉(zhuǎn)矩要求，從幾種電壓空間矢量中選取一個最佳矢量，使得電機(jī)在特定狀態(tài)運(yùn)行。電壓矢量的選擇依賴于電磁轉(zhuǎn)矩誤差、定子磁鏈誤差和磁鏈角?；局苯愚D(zhuǎn)矩控制使用的優(yōu)化矢量開關(guān)表，一個采樣周期只輸出一個電壓矢量，在低速時轉(zhuǎn)矩脈動將會比較大[2]。在DSVM技術(shù)中,每個采樣周期分為3個相等的時間段，每個時間段中作用1個電壓矢量。改變這3個電壓矢量的作用順序，不會改變最終的控制目標(biāo),但是對轉(zhuǎn)矩脈動有很大影響。通過分析每個采樣周期中的轉(zhuǎn)矩波形，得到優(yōu)化的電壓矢量選擇表[3]。

FPGA是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的一類可編程專用集成電路 ASIC（Application Specified Integrate Circuit）。電子設(shè)計工程師利用它可以在辦公室或?qū)嶒炇依镌O(shè)計出所需要的專用集成電路，從而大大縮短了產(chǎn)品上市時間，降低了開發(fā)成本。FPGA是一種將門陣列的通用結(jié)構(gòu)與 PLD的現(xiàn)場可編程特性結(jié)合于一體的新型器件，可以實時地對外加或內(nèi)置的 RAM 或 EPROM編程，實時地改變器件功能，極大地提高了電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和通用性[4]。

1 基本直接轉(zhuǎn)矩控制原理

直接轉(zhuǎn)矩控制的原理圖如圖1所示，主要包括：電機(jī)模型、速度PI調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器、開關(guān)狀態(tài)表、逆變器等幾個部分。

圖1中直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)通過檢測定子電壓、電流計算出定子磁鏈ψ、電磁轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速ω，由磁鏈得到磁通角，由磁通角得到定子磁鏈所在扇區(qū)。將磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的計算值與給定磁鏈值 ψ、轉(zhuǎn)矩參考值T的差值分別送入磁鏈調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，根據(jù)磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出控制信號以及定子磁鏈所在扇區(qū)查找開關(guān)狀態(tài)表，得到逆變器的開關(guān)信號，驅(qū)動逆變器產(chǎn)生三相電壓以驅(qū)動電機(jī)。為了更好地控制轉(zhuǎn)速，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制單元，給定速度?ω和反饋速度ω的差值進(jìn)入速度調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI運(yùn)算后得到轉(zhuǎn)矩的參考值?T，以增強(qiáng)控制系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理框圖

2 離散空間矢量調(diào)制技術(shù)

2.1 電壓矢量對轉(zhuǎn)矩的影響

異步電動機(jī)在定子坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，可寫成空間矢量的形式。

式中：vs——定子繞組電壓；_

M——定子和轉(zhuǎn)子繞組之間的互感；

Ls——定子繞組的自感；

Lr——轉(zhuǎn)子繞組的自感；

p——電機(jī)極對數(shù)；

ωm——轉(zhuǎn)子電角速度；

根據(jù)上列公式，可求得對于一個循環(huán)周期tΔ內(nèi)，定、轉(zhuǎn)子在 t1+k時刻的磁通表達(dá)式為

則在 t1+k時刻，力矩可按照下式重新計算得到：

結(jié)合上述三式，并忽略tΔ的平方項，可得到t1+k時刻電磁力矩為：

2.2 離散空間電壓矢量的產(chǎn)生

低速時轉(zhuǎn)矩和電流脈動與電壓矢量的數(shù)目是有密切關(guān)系的?；局苯愚D(zhuǎn)矩控制使用的優(yōu)化矢量開關(guān)表，一個采樣周期只輸出一電壓矢量，在低速時轉(zhuǎn)矩脈動將會比較大。若把一個采樣周期分為多個時間段，每個時間段輸出不同的電壓矢量，從而可以合成許多新的電壓矢量。在一個采樣周期中，根據(jù)輸入的磁鏈、轉(zhuǎn)矩信號，輸出盡可能多的電壓矢量，則轉(zhuǎn)矩和電流脈動相應(yīng)就會減小。然而電壓矢量數(shù)量的增加需要定義非常復(fù)雜的開關(guān)表[5]。但若將一采樣周期分為三個時間段不需要太復(fù)雜的開關(guān)表，且可使得轉(zhuǎn)矩和電流波動的明顯減小，因此可以在脈動補(bǔ)償及復(fù)雜的電壓選擇策略中取得一個較好的折衷。

如圖2所示，假設(shè)定子磁通在扇區(qū)1，則基本直接轉(zhuǎn)矩控制會根據(jù)磁通、轉(zhuǎn)矩的估計值和給定值的差來決定使用u0、u2、u3、u5或u6中的某一個電壓矢量。

圖2 定子磁鏈在扇區(qū)1可使用的電壓矢量

采用三時間段離散電壓矢量調(diào)制技術(shù)，可以用到19個電壓矢量，如圖3所示。每個交點表示一個綜合電壓矢量的終點，例如：665表示由空間電壓矢量u6、u6和u5合成，23Z表示由u2、u3和一個零電壓矢量合成，5ZZ則表示由u5和兩個零電壓矢量合成。每個矢量占用三分之一的控制輸出周期時間。電壓矢量的數(shù)量增加可定義更加準(zhǔn)確的開關(guān)表以便能夠根據(jù)轉(zhuǎn)子速度選擇電壓矢量。開關(guān)表可通過分析施加的電壓矢量與相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈變化聯(lián)系的方程來推導(dǎo)。

圖3 三時間段用電壓矢量

2.3 開關(guān)表的定義

充分利用離散電壓調(diào)制可用的19個電壓矢量，考慮低速、中速和高速三個區(qū)域，綜合電壓矢量對轉(zhuǎn)矩的作用受反電動勢的影響，定義了四個開關(guān)表。低速區(qū)和中速區(qū)各一個開關(guān)表,高速區(qū)兩個開關(guān)表。同時，為細(xì)分磁鏈和力矩變化，開關(guān)表中將磁鏈滯環(huán)比較器分成兩層，力矩滯環(huán)比較器分成五層。

假定電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，磁通位于高速區(qū)，若力矩給定信號增加，則有四個矢量 333、332、223、222可供使用，333、332使磁鏈減小，223、222使磁鏈增加。

3 FPGA在實現(xiàn)DSVM直接轉(zhuǎn)矩控制中的應(yīng)用

基于FPGA的電機(jī)DSVM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)如圖4所示。FPGA采用Xilinx公司的Spantan-II系列的XC2S100—5 PQ208型芯片。

控制模塊是整個系統(tǒng)的核心部分。它包括若干功能模塊，其中最主要的任務(wù)是利用 XC2S100實現(xiàn)DSVM—DTC的PWM信號產(chǎn)生。其他模塊是為了產(chǎn)生相應(yīng)PWM信號的外圍輔助功能電路，其任務(wù)包括與上位機(jī)進(jìn)行串口通信，接受A/D轉(zhuǎn)換信號及光電編碼信號的輸入等。

圖4 DSVM—DTC功能模塊圖

4 仿真

圖5為給定轉(zhuǎn)速ω=100r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=150N·m時系統(tǒng)仿真曲線。從圖5可以看出，基于DSVM的直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線有了明顯改善。圖6為給定轉(zhuǎn)速ω=100r/min，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=150N·m時系統(tǒng)仿真曲線。從圖6可以看出，在突加負(fù)載情況下，基于DSVM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間較短，且轉(zhuǎn)矩沒有明顯波動。

5 實驗

實驗中用到的電機(jī)參數(shù)為：功率P=2kW，定子電阻 Rs=0.56? ， 轉(zhuǎn) 子 電 阻 Rr=0.77?,定 子 電 感Ls=0.0656H，轉(zhuǎn)子電感 Lr=0.0711H，定轉(zhuǎn)子互感Lm=0.0543H。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne=1500r/min。

圖5 恒定轉(zhuǎn)速、恒定負(fù)載時系統(tǒng)仿真曲線

圖6 恒定轉(zhuǎn)速、突加負(fù)載時系統(tǒng)仿真曲線

圖7(a)為傳統(tǒng)基本直接轉(zhuǎn)矩控制效果。直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩波動比較大；圖7(b)則是采用了DSVM的直接轉(zhuǎn)矩控制后的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)曲線。由圖可見，轉(zhuǎn)矩的脈動相對而言大為減小。

圖7 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

6 結(jié)束語

基于DSVM的直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快、對參數(shù)變化魯棒性強(qiáng)，同時該技術(shù)針對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制低速時脈動大的缺點，將一個控制周期分成多個時間段，利用多個電壓矢量進(jìn)行合成輸出，使得低速時轉(zhuǎn)矩脈動有效降低。使用FPGA技術(shù)開發(fā)的直接轉(zhuǎn)矩控制數(shù)字芯片，其主頻快，控制周期短，有利于電機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，可以方便地實現(xiàn)基于DSVM的直接轉(zhuǎn)矩控制算法。

[1] 李夙. 異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001: 41-97.

[2] 郭前崗, 李耀華, 孟彥京. 直接轉(zhuǎn)矩控制中電壓矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響[J]. 中小型電機(jī), 2004,31(6):6-9.

[3] 劉賢興, 黃旦旦, 等. 基于DSVM異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng). 江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）[J]. 2005, 26(3):257-260.

[4] 徐志軍, 徐光輝. CPLD/FPGA的開發(fā)與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社, 2002.

[5] 姚偉, 金陽, 殷雄. 采用離散空間電壓矢量調(diào)制方法的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2002, 30(1):17-20.

The Application of FPGA in DTC Control System Based on DSVM

LOU Zhong-xing
(Department of Computer ,Yiwu Industrial & Commercial College, Yiwu 322000, China)

Direct torque control using the pure integral voltage model for torque observation will cause the fluctuations of torque. An improved direct torque control (DTC) system based on discrete space vector modulation (DSVM) is presented. FPGA is used as the core of the system, it implements the most logic functions. The distinctive advantages of the system are flexible,expandable, stable, simple and compact. The simulation and experimental results show the feasibility of the new method.

direct torque control; DVSM; FPGA

TM343.01.2

A

1000-3983(2010)02-0034-04

2008-08-20

樓忠興（1967-），1989年畢業(yè)于安徽工學(xué)院應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)，主要從事自動化裝備研發(fā)和教學(xué)工作，實驗師。