无传感器矢量控制技术

双 DSP 异步电机无速度传感器 控制的一种新 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 许傲然1 ,赵坤2 ,游小杰2 (1. 沈阳 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 电气系 ,辽宁 沈阳 110136 ;2. 北京交通大学 电气工程学院 ,北京 100044) 　　摘要 :硬件基础为双 DSP 控制平台 , 利用 VC33 的高浮点计算能力解决了编程和计算精度的问题 ,利用 2407 自身的硬件特点实现快速通信、采样等功能。控制策略方面提出了一种新的实现电机的矢量控制的控 制策略 ,并验证了基于电压型转子磁链观测方案中一种新的补偿方式。经过试验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ,该控制策略可以实现 针对电机的无速度传感器的矢量控制。 关键词 :无速度传感器矢量控制 ;双 DSP ;观测值补偿 中图分类号 : TM343 　　　　文献标识码 :A Dual2DSP Controller Used in Novel Scheme of Speed Sensorless Induction Motor Control XU Ao2ran1 ,ZHAO Kun2 , YOU Xiao2jie2 (1. Elect rical Department , S henyang Institute of Engineering , S henyang 110136 , L iaoning , China; 2. Elect rical Engineering College , Bei j ing J iaotong University , Bei j ing 100044 , China) Abstract :The hardware of control system is mainly composed of TMS320L F2407A and TMS320VC33. They are utilized for control and count respectively. Also we indicated a novel scheme of speed sensorless in2 duction motor control , and validated a novel scheme of compensation in flux observation with the voltage mod2 el. Experiment result s show that the proposed methods can practicably improve the performance of the control system. Key words :sensorless vector control ; dual2DSP ;compensate for observation 　　作者简介 :许傲然 (1983 - ) ,男 ,硕士研究生 ,Email :xar1868 @yahoo . com. cn 1 　引言 自从异步电机发明以来 ,由于其相对于直流 电机具有机械坚固 ,制造简单 ,成本低 ,转动惯量 较小 ,可靠性高 ,容易做到高转速、大容量等诸多 优点 ,很快得到了推广。但由于异步电机是一个 多变量、强耦合、非线性的系统 ,其控制策略的发 展一直比较缓慢 ,主要经历了开环控制 ,转速闭环 滑差频率控制 ,直接转矩控制 ,矢量控制。在高性 能的异步电机矢量控制系统中 ,转速信息的获取 是必不可少的。而传统的速度检测方法是在交流 电机上安装速度传感器 ,但是速度传感器的安装 给交流电机控制系统带来了诸多缺点 :1) 速度传 感器的安装增加了交流电机控制系统的成本 ,降 低了产品的市场竞争力 ;2) 速度传感器的使用增 加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路 , 使系统易受干扰 ,降低了系统的可靠性 ;3)速度传 感器的使用受温度、湿度和振动等条件的限制 ,使 调速系统不能广泛适应各种应用场合 ;4) 速度传 感器的安装增加了电机转子轴的转动惯量 ,加大 了电机的体积和轴向尺寸。 因此无速度传感器控制方式得到了发展。无 速度传感器控制主要分为 3 个方向 ,基于电压模 型及其改进算法的磁链观测和速度估计方法 ,模 型参考自适应方法 ,扩展状态观测器方法。本文 以电压模型为基础 ,提出了新的控制补偿策略 ,从 而实现了电机的稳定控制。 2 　硬件系统 作为异步电机无速度传感器矢量控制的硬件 平台 (双 DSP 开发平台控制板原理框图如图 1 所 示) ,在本文中采用的是双 DSP 系统 2407 和 VC33 组成 ,其中 VC33 的高浮点计算能力解决 了编程和计算精度的问题 ,利用 2407 自身的硬件 32 EL ECTRIC DRIV E 　2009 　Vol. 39 　No. 2 电气传动 　2009 年 　第 39 卷 　第 2 期 特点实现快速通信、采样等问题。L F2407A 的突 出特点在于其事件管理器模块 :共有 2 个事件管 理器 EVA 和 EVB ,2 个 16 位通用定时器 ,提供 了 8 个 16 位脉宽调制 ( PWM)通道。这些都是针 对电机控制而设计的 ,可以实现 : 3 相反相器控 制 ; PWM 的对称和非对称波形 ;可编程的 PWM 死区控制可以防止上下桥臂同时输出触发脉冲而 导致直通。同时每个模块还提供了 2 个外部引脚 PDPIN TA和PDPIN TB ,当该引脚上出现低电平时 事件管理器模块将快速关闭相应的 PWM 通道 , 起到保护作用。片内模数转换模块为数据采集提 供了高性能的 16 通道 A/ D 转换器。TMS320VC33 是 TMS320 家族的一个性价比高的 32 位浮点 DSP。其 中 VC33 的 最 高 处 理 速 度 为 150MFLOPS ,其主要特点和组成有 :高品质的浮 点 DSP ,使计算精度得到提高 ;指令周期为 13 ns/ 17 ns ,处理速度为 150MFLOPS/ 120MFLOPS;低功 耗 ( < 200 mW) ;x5 PLL 时钟发生器 ;34 Kx32bit 片 内 RAM 在程序运行期间 ,所有的数据都位于其 中 ,从而能够充分发挥哈佛总线结构所带来的数 据吞吐量大、运算快的优点 ;采用编程语言 C 会 使程序编写效率大大改善 ,这对于需要用复杂算法 实现的控制策略来说是很重要的。双口 RAM 芯 片 IDT70V24 是一种共享式多端口存储器 ,其最大 的特点在于存储数据的共享 :具有 2 组相互独立的 地址线、数据线和控制线 ,允许 2 个独立的 CPU 或 控制器同时异步地访问存储单元。内部仲裁逻辑 控制提供以下功能 :Busy 逻辑控制 ,旗语控制访问 权 ,信令交换逻辑。 图 1 　双 DSP 开发平台控制板原理框图 Fig. 1 　St ruct ure of dual2DSP cont roller 3 　控制策略 从异步电机的数学模型出发 ,经过坐标变换 , 得到转子磁链定向条件下的异步电机数学模型。 定转子电压方程为 　　vsd = Rs isd +σL s Pisd + L mL r PΨr d - ωsσL s isq 　　vsq = Rs isq +σL s Pisq +ωs ( L mL r PΨr d +σL s isd ) 0 = Rr ir d + pΨr d 0 = Rr irq + (ωs - ωr )Ψr d 可以解得 : pΨr d = - 1TrΨr d + L m Tr isd Ψrq = 0 写成传递函数的形式为 Ψr d = M isdT r s + 1 这时的电磁转矩可以表示为 Tem = P L m L r isqΨr d 滑差可以表示为 ωsl =ωs - ωr = Rr TemPΨ2r d = L m isq T rΨr d 在稳态时 ,转子磁链 Ψr d的大小完全取决于 定子电流 d 轴分量 i sd的大小 ,控制 isd即可获得所 需Ψr d ,当转子磁链恒定时 ,电磁转矩 Tem由定子 电流 q轴分量决定。控制定子电流的 2 个分量 , 就可以独立地控制转子磁链和电磁转矩 ,从而使 二者解耦 ,使控制系统简化 ,其控制系统框图如图 2 所示。 图 2 　异步电机无速度传感器矢量控制系统框图 Fig. 2 　Asychronous motor speed sensorless vector cont rol system 　　电机控制性能主要由电机磁链观测的精度决 定。在高性能无速度传感器控制中 ,磁链观测是必 需的 ,它是转矩和转速控制的基础。在转子磁场定 向控制中需要转子磁场的角度 ,有了转子磁场的角 度 ,就可以定向解耦控制和开环计算电机转速。交 流异步电机无速度传感器控制中最简单的转子磁 链观测方案就是电压模型。电压模型采用定子坐 标下定子电压和定子电流来计算转子磁链。即 : 42 电气传动 　2009 年 　第 39 卷 　第 2 期 许傲然 ,等 :双 DSP 异步电机无速度传感器控制的一种新方案 Ψs2 = L 2L m [∫( us1 - R1 is1 ) d t - σL 1 is1 ] 转子磁链的电压模型如图 3 所示。 图 3 　转子磁链的电压模型 Fig. 3 　Flux observation of voltage model 　　基于电压模型在低速范围内 ,定子频率降低 , 定子异步电压随之降低。当定子频率接近零时 , 定子异步电压非常小 ,由于存在积分漂移的问题 , 电压模型几乎不可能得到正确的转子磁链。因此 消除零漂的影响在控制策略中十分重要。 基于反电势积分有限性的零漂在线校正基本 原理是 :在磁链建立起来后 ,反电势在长时间段内 的积分一定为零 ,否则磁链就发散变得无穷大了。 也就是说反电势是积分有限的、无直流分量的纯 交流量。基于这个原理 ,本文提出针对反电势进 行零漂校准的方法。只要把反电势的零漂消除 了 ,电压模型磁链观测的准确性就会大大提高。 该方法的框图如图 4 所示。 图 4 　零漂在线校正 Fig. 4 　Emendation of zero off2set on2line 　　未经零漂校正的转子电势经过低通滤波器即 可得到反电势的零漂。把反电势的零漂从未经零 漂校正的转子电势中减去即可得到无零漂的转子 反电势。低通滤波器采用高阶的低通滤波器 ,时 间常数可以取几 s 到几十 s 的数量级 ,该滤波截 止频率的选取主要考虑区分电机正常运行的最低 频率 (如 0. 1 Hz) 和温漂 (时间常数为 min 数量 级) 。该方法本质上是让用于磁链观测的反电势 经过一个截止频率极低的高阶高通滤波环节 ,从 而将非常低频的温漂和零漂与电机真正的有一定 频率的反电势进行分离。 　　电压型转子磁链观测模型高速性能比较好 , 但在低速时因为电机产生的反电动势比较小 ,检 测信号的信噪比较低 ,在此基础上计算得到的转 子磁链不太准确 ,而且存在积分器漂移问题。 对这一问题的解决方案之一是将输出的结果 再通过一个高通滤波器 s/ ( s +ωc) 将低频成分和 直流漂移滤掉。 y = x s · s s +ωc = x s +ωc (1) 式中 : x 为系统的输入 ; y 为系统的输出 ;1/ s 为纯 积分环节 ;ωc 为截止频率。 由式 (1) 可知 ,纯积分和一阶高通滤波的组合 可以等效为一阶惯性环节。 但是 ,高通滤波器的引入带来了磁链检测的 幅值和相位的误差。为了补偿磁链的幅值和相位 变化 ,而且还要积分稳定 ,本文运用了检测值补偿 方法并进行了电机试验。采用一种将积分环节和 低通滤波器结合起来的磁链观测方法 ,如下 : y = 1 s +ωc x + ωc s +ωc z (2) 式中 : y 为积分环节的输出 ; x 为积分环节的输 入 ; z 为补偿信号。 从式 (2) 中可以发现 z 分别取 0 或 y 时 ,改进积分 环节可分别视为低通环节和纯积分环节。因此适 当的调整补偿量 ,可以使此改进型积分环节起到 介于纯积分环节和低通滤波器之间的作用。本系 统中我们采用上述磁链观测器 ,在α2β坐标系下 , 其结构图如图 5 所示。 图 5 　观测值补偿相位的电压型的转子磁链模型 Fig. 5 　Flux observation of voltage model wit h observable parameter 图 5 中 erα和 erβ分别为两相静止坐标系轴α,β 上的转子反电动势 , 作为磁链观测器的输入。 Ψrα ,Ψrβ作为输出 ,分别为α,β轴的观测磁链。Ψr 为合成后的转子磁链幅值 ,限幅环节的上下限为 Ψ3r ,θ为转子磁链与两相静止坐标系α轴的夹 角。之所以没有将Ψrα ,Ψrβ直接引入反馈而是将 Ψr 引入反馈 ,是为了尽量减少反馈量与限幅值之 间差值而造成的输出直流偏置。同时 ,系统在磁 链幅值的不同阶段予以不同的补偿 ,使得相移得 以不同的补偿。 52 许傲然 ,等 :双 DSP 异步电机无速度传感器控制的一种新方案 电气传动 　2009 年 　第 39 卷 　第 2 期 4 　试验结果 基于以上的控制策略和双 DSP 硬件平台 , 实现电机的矢量控制。电机参数为 :额定频率 f n = 50 Hz ,定子电阻 Rs = 2. 715Ω,定子漏感 L sσ = 0. 001 382 H ,极对数 pn = 2 ,转子电阻 Rr = 2. 372 4 Ω , 激磁电阻 Rm = 3 . 576 6Ω , 激磁电感 L m = 0 . 251 2 H。 由图 6 可知 ,电机转速启动平稳 ,电流冲击 小 ,转速估计正确。 　　从图7可以看出 ,当电机在某一个固定的转 图 6 　电机空载启动波形 Fig. 6 　Graph of motor star 图 7 　电机速度变化时波形 Fig. 7 　Graph of motor speed change 速和负载转矩下 ,其电流波形平滑 ,运行稳定 ,说 明转速估计正确 ,电机稳态运行情况良好。实验 结果验证了本文提出的无速度传感器控制的一种 新方案的正确性。 5 　结论 本文中采用 2407 和 VC33 组成的双 DSP 系统 为硬件基础 ,实现了异步电机无速度传感器矢量控 制中以电压模型为基础的控制方式 ,并且在实际试 验中验证了一种新的补偿方法 ,提高了控制精度 , 为以后在更大功率的电机试验打下了良好的基础 , 并为最终设计实际应用产品提供了条件。 参考文献 [ 1 ] 　刘和平. 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