摘　要：由于異步電機的矢量控制算法比較復雜,要達到高性能的目的,必須利用雙dsp,使其系統的整體性價比下降。為解決這一問題,本文利用現場可編程門陣列(fpga),設計一種智能控制器來完成一系列復雜控制算法,實現了異步電機矢量控制速度控制器的專用集成電路。該電路對研制具有自主知識產權的矢量控制異步電機變頻調速專用芯片有著十分重要的意義。

    關鍵詞：異步電機 矢量控制 現場可編程門陣列 智能控制器 控制算法

    可靠性和實時性是對控制系統的基本要求,最初的電機控制都是采用分立元件的模擬電路。隨著電子技術的進步,以脈寬調制(pwm)為基礎的變頻調速技術已廣泛應用于電機控制中。在數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用在電機控制中。特別是最近幾年興起一種全新的設計思想,即基于現場可編程門陣列(fpga)的硬件實現技術。該技術可以應用于基于矢量控制的異步電機變頻調速系統中。fpga本身是標準的單元陣列,沒有一般的ic所具有的功能,但用戶可以根據自己的需要,通過專門的布局布線工具對其內部進行編程,在最短的時間內設計出自己的專用集成電路,從而大大地提高了產品的競爭力。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,使系統可以達到很高的性能。這種設計方法應用于異步電機矢量控制變頻調速系統時,一般把電流控制作為dsp 的協處理,轉子速度和轉子磁鏈算法由dsp 主機來實現。一般情況下,位置控制比較靈活,很難做到通用性,所以位置環節一般由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,既可以實現速度控制,又可以對電流單獨控制,還可以和dsp共同構成位置控制系統。如圖1所示,若fpga中集成有cpu內核,則可以把位置、速度、電流3種算法完全由1片fpga來實現,從而實現真正的片上系統[1][2]。

    圖1 異步電機速度控制器系統的集成化結構

    圖2 三相繞組與二相繞組的軸線設定

    fpga將半定制器件邏輯集成度高的優點與標準邏輯器件開發周期短和開發成本低的優點結合在一起后,具有結構靈活、高密度、高性能、開發工具先進、編程完畢后的成品無需測試和可實時在線檢驗等優點。本文介紹的異步電動機矢量控制調速系統按照模塊化設計的基本思想,研究電流矢量控制、速度pi調節、電流 pi調節、反饋速度測量、電流磁鏈轉換、svpwm、 clarke變換、 park變換和park逆變換等幾個主要功能模塊的數字結構,并在單片xilinx fpga 中完成了主要模塊的布局布線,實現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

    設異步電機三相繞組(a、b、c)與二相繞組(α、β)的軸線設定如圖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生的磁勢f與二相交流電流產生的磁勢相等。即采用正交變換矩陣,則其正變換公式為:

    其逆變換公式為:

    由二相靜止坐標系(α,β)到二相旋轉坐標系(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旋轉的旋轉坐標系。當α、β靜止坐標系變換為d-q旋轉坐標系時,坐標軸的設定如圖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坐標以同步轉速ω旋轉,則產生的磁動勢與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:

    圖3 α-β坐標

    矢量控制亦稱