黃鶴松,畢京鵬,陳電星,薛琳

(1.山東科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,山東 青島 266510;2.兗州礦業(yè)集團 東灘煤礦,山東 鄒城 273512)

1 引言

目前,FPGA作為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的核心技術(shù),已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于航空航天、工業(yè)控制、通信等領(lǐng)域,將FPGA引入電動機控制領(lǐng)域也已經(jīng)成為該行業(yè)發(fā)展的重要研究方向。矢量控制對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩具有良好的控制特性,速度調(diào)節(jié)精度高,因而成為交流調(diào)速領(lǐng)域中的高性能技術(shù)而得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)多采用SPWM的電壓源逆變器,而如果能將其中的逆變器部分采用電壓空間矢量控制技術(shù),通過對電壓源逆變器輸出狀態(tài)的控制,可以得到逼近圓形的磁通軌跡。這樣就可以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩,大大減小電動機的轉(zhuǎn)矩脈動和諧波電流。

2 SVPWM原理及實現(xiàn)

SVPWM(space vector PWM,電壓空間矢量PWM)控制的基本思想為:將逆變器和交流電動機視為一體,用相鄰的2個有效工作矢量合成期望的輸出矢量,以控制磁鏈軌跡接近于圓形,并以此圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的工作。

由電機原理[1]可知,三相脈動磁動勢合成后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢,因此,三相定子電壓空間矢量相加的合成空間矢量是一個旋轉(zhuǎn)空間矢量,其幅值不變,是相電壓幅值的3/2倍。電源頻率不變時以電源角頻率 ω1為電氣角速度做恒速旋轉(zhuǎn)。

當定子合成磁鏈 ΨM一定時,us的大小與ω1成正比,方向則與 Ψs正交,即沿磁鏈圓的切線方向[2]。因此,電動機旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。在常規(guī)的6拍階梯波逆變器中,基本電壓空間矢量與定子磁鏈軌跡的關(guān)系如圖1所示。

圖1 基本電壓空間矢量及定子磁鏈軌跡Fig.1 Basic voltage space vectors and the stator flux trajectory

按6個有效工作矢量將電壓矢量空間分為對稱的6個扇區(qū),當期望的輸出電壓矢量落在某個扇區(qū)時,就用該扇區(qū)的兩條邊等效合成。這里以期望輸出矢量us落在u1和u2組成的扇區(qū)為例,來分析電壓空間矢量PWM的基本工作原理。在一個開關(guān)周期中,的作用時間為t1,u2的作用時間為t2,由文獻[3]可得

其中,θ為期望輸出電壓矢量與扇區(qū)起始邊的夾角,2個基本矢量作用之和應(yīng)滿足:

T0與t1和t2之間的間隙時間可用零矢量u0和u7來填補,且其作用時間為=--。正是零矢量的插入,有效地解決了定子磁鏈矢量幅值與旋轉(zhuǎn)速度的矛盾,變壓的同時實現(xiàn)了變頻,從而保證磁通恒定。

由以上分析可知,當六邊形的每條邊分別由多個磁鏈增量合成時,磁鏈軌跡將趨近于圓形。而采用不同電壓空間矢量在不同時間作用下的線性組合就可得到所需相位的磁鏈增量,如圖2所示。

圖2中對每個扇區(qū)進行了4等分,在每個小區(qū)間內(nèi),定子磁鏈的增量為Δ(k)=(k)。由于(k)為非基本電壓矢量,需用相鄰的兩個基本矢量合成。例如,us(1)可用u6和u1合成,并按照開關(guān)最小原則,得到ΔΨs(1)的運動軌跡由以下7步來完成

,其中t0為零矢量作用時間,這段時間內(nèi)磁鏈停止不動,在有效矢量作用時間內(nèi)沿基本電壓矢量運動,故磁鏈的實際軌跡為Δ(1)區(qū)間內(nèi)的折線段。

之所以采用這種合成方法是因為系統(tǒng)工作在低頻時,換向周期較長,而每個周期內(nèi)基本矢量的作用時間不變,也就是說零矢量的作用時間隨換向周期增大。于是將一個周期中的零矢量分開成幾個零矢量,再把它們均勻地插入到基本矢量中去,這樣可有效地減小低速轉(zhuǎn)矩脈動。通過插入零矢量,改變了有效作用時間所占換向周期的比例,從而在改變頻率的同時改變了電壓,保證磁通恒定。

圖2 磁鏈軌跡細分圖Fig.2 The subdivision graph of flux path

3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)由主電路、驅(qū)動電路、信號采集與保護電路、人機接口電路等幾部分構(gòu)成。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.3 The overall structure of the system

主電路由整流部分、PWM逆變部分和中間直流環(huán)節(jié)3部分組成。整流部分由二極管將工頻交流電壓變換為直流電壓;直流環(huán)節(jié)采用電容濾波,并提供電壓檢測信號;逆變部分由全控開關(guān)器件IGBT組成三相橋式逆變器,將直流電壓逆變?yōu)楫惒诫妱訖C所需的三相交流電壓。

人機接口包括鍵盤與顯示部分,主要完成參數(shù)的設(shè)定,顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。故障分析電路部分,電壓、電流等模擬量信號通過進入FPGA的A/D輸入端口,轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并經(jīng)處理后,產(chǎn)生與給定量對應(yīng)的控制信號,輸出至驅(qū)動電路。當系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生異常,如過熱、過流時,可通過保護電路切斷系統(tǒng)輸出,防止事故發(fā)生。

4 硬件設(shè)計

控制核心采用Actel Fusion系列ASF600,它是混合信號FPGA器件,將可配置的模擬器件、大容量Flash Memory、全面的時鐘生成和管理電路以及高性能可編程內(nèi)核集成在單個芯片中,因此可簡化系統(tǒng)的設(shè)計[4]。目前對電動機的控制要求是高效率和低功耗,以便在不損失性能的前提下使電動機運作更為持久。針對這些特點,Fusion系列FPGA體現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢,主要有以下幾個方面:1)具有可定制的脈寬輸出模塊,通過利用內(nèi)部的鎖相環(huán)和時鐘電路可實現(xiàn)更精細的頻率控制;2)與軟件實現(xiàn)方法比較,控制環(huán)路響應(yīng)更快,并能降低電流紋波和噪聲;3)通過設(shè)置內(nèi)部模擬量的閾值標志能夠輕易實現(xiàn)對電動機的過流、過壓等保護;4)片上Flash存儲器可以保存系統(tǒng)參數(shù),提供快速的查表訪問,以便迅速地啟動電動機并使其高效運轉(zhuǎn)。

設(shè)計的FPGA內(nèi)部的功能電路如圖4所示。時鐘生成電路用于將外部時鐘信號經(jīng)倍頻或分頻后提供給各功能電路;按鍵識別電路提取外部按鍵信號并進行消抖處理;A/D轉(zhuǎn)換電路采用FPGA內(nèi)部的模擬量模塊實現(xiàn),用于采集電壓、電流、溫度等模擬信號。主控制電路根據(jù)按鍵的設(shè)置控制液晶顯示電路進行相應(yīng)菜單的顯示,并通過查找存儲在FlashMemory中的時間數(shù)據(jù),將其傳送到SPWM波生成電路,輸出控制信號。當模擬量超過閾值時,控制電路則封鎖輸出,并顯示出故障信息。

逆變電路部分采用三菱公司的IPM智能功率模塊PS21564[5],它采用第 5代低功耗IGBT管芯,具有完整的功率輸出電路,可直接連接負載;內(nèi)置柵極驅(qū)動電路,可實現(xiàn)短路保護和驅(qū)動電壓欠壓保護;與T TL電平兼容;無需外加驅(qū)動電路,并具有高電流密度、低飽和電壓和高耐壓等優(yōu)點,其輸出功率可驅(qū)動750 W電機。IPM模塊控制原理如圖5所示。

圖4 FPGA內(nèi)部電路圖Fig.4 T he internal circuit of FPGA

圖5 逆變電路原理圖Fig.5 The inverter circuit diag ram

PS21564內(nèi)部含4個IGBT驅(qū)動模塊,其中位于上橋的3個IGBT各一個驅(qū)動模塊,位于下橋的3個IGBT共用一個驅(qū)動模塊。VUFB和VUFS分別為U組驅(qū)動電源正極和地,通過外部的二極管及電容構(gòu)成自舉電路。VP1為上橋控制電源正極,VN1為下橋控制電源正極。CIN為電流取樣輸入,為 IPM模塊過流保護提供參考值。CFO和FO分別為故障延時設(shè)置和故障輸出(低有效)。UP為U組上橋信號輸入,UN為U組下橋信號輸入,可直接與FPGA的I/O口進行連接。P和N為直流側(cè)母線電壓,U,V,W為三相輸出,直接連接電動機。

5 軟件實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案,軟件設(shè)計分為4部分:按鍵識別模塊、液晶顯示模塊、SVPWM實現(xiàn)模塊以及監(jiān)控與保護模塊,采用Verilog HDL語言進行編寫[6]。

5.1 按鍵識別模塊

針對異步電動機變頻調(diào)速的實施方案,需要設(shè)置電機頻率和進行電壓補償,根據(jù)實際情況,選擇電動機頻率設(shè)置范圍為0～100 Hz,設(shè)置精度為0.5 Hz,定子電壓補償比例為:2%,5%,8%,10%4種。

5.2 液晶顯示模塊

液晶顯示部分完成對系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)和被設(shè)置的參數(shù)進行實時顯示,設(shè)計采用的顯示模塊為LCD1602。根據(jù)系統(tǒng)操作流程,本設(shè)計設(shè)置了5種工作狀態(tài),分別為:系統(tǒng)初始化狀態(tài)、設(shè)置頻率狀態(tài)、設(shè)置電壓補償比例狀態(tài)、系統(tǒng)輸出SVPWM波狀態(tài)和故障顯示狀態(tài)。

5.3 SVPWM實現(xiàn)模塊

變頻控制分為基頻以下與基頻以上兩部分?；l以下保證Us/f1=常量,并帶一定的定子電壓補償;基頻以上保證電壓恒定,為弱磁調(diào)速。

根據(jù)正多邊形電壓空間矢量的合成原理,位置參數(shù)θ為在每個扇區(qū)內(nèi)當前矢量(即期望矢量)與起始矢量的夾角,對于圓形磁場來說,這個角度為0°～360°內(nèi)連續(xù)變化的數(shù)值。設(shè)計中采用的為24邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場法,也就是將原來的6大扇區(qū)的每個扇區(qū)都均分為4個小扇區(qū),在每個小扇區(qū)內(nèi),由于起矢量、終矢量和期望矢量的方向均固定,因此,這個角度θ也是固定的。根據(jù)如圖6所示的幾何關(guān)系可以得出,θ的取值分別為:7.5°,22.5°,37.5°和 52.5°。將位置參數(shù) θ的 4 種取值代入式(1)和式(2),即可得到各種時間值,將時間值離線存儲到Flash Memory中,輸出信號時,只需進行簡單查表即可產(chǎn)生所需要的波形。

圖6 第1大扇區(qū)內(nèi)位置參數(shù)示意圖Fig.6 The location parameters of the first sector

模塊仿真結(jié)果如圖7所示,為期望輸出50.0 Hz的PWM波。由圖7可見輸出的波形周期(2個指針之間)≈19.96 ms,對應(yīng)的周期為≈50.085 Hz,誤差為0.17%。

5.4 監(jiān)控與保護模塊

根據(jù)信號保護與采集電路的設(shè)計,本系統(tǒng)將電壓、電流、溫度等檢測信號經(jīng)分壓、濾波等變換后,進入FPGA的A/D輸入口,作為故障輸出與保護的依據(jù)。監(jiān)控及保護模塊的實現(xiàn),充分利用了Fusion器件內(nèi)部的模擬模塊的監(jiān)控機制。設(shè)計中進行了兩路信號的檢測:一是驅(qū)動芯片溫度檢測,當溫度高于 60°時報警;二是電壓檢測,當直流側(cè)電壓低于180 V時報警。同時,為了安全起見,本設(shè)計采用故障后封鎖輸出的措施,在出現(xiàn)任何警告時,都將系統(tǒng)立即恢復(fù)初始化狀態(tài),并發(fā)出報警指示信號。

圖7 SVPWM模塊仿真結(jié)果Fig.7 The simulation results of SVPWM module

6 實驗分析

接入異步電機(參數(shù)為:=250 W,=220/380 V,fN=50 Hz,IN=1.4/0.83 A,nN=1400 r/min),并使其空載運行,測量7組轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如表1所示,繪出頻率與對應(yīng)轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示。

表1 轉(zhuǎn)速測試數(shù)據(jù)Tab.1 The test data of speed

圖8 轉(zhuǎn)速-頻率曲線Fig.8 The curve of speed-frequency

由圖8可以看出,轉(zhuǎn)速與頻率基本成線性關(guān)系。由電機銘牌數(shù)據(jù)可得出電機同步轉(zhuǎn)速為1500 r/min,極對數(shù)為2。由實驗數(shù)據(jù)可看出電機空載時轉(zhuǎn)差率約為1/150,由此可得出空載時電機轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式為n=29.8f。將測得的實際值與理論值進行比較,可看出速度偏差只在低頻時較大,但也在5%以內(nèi),頻率在30 Hz以上時偏差則均在1%以內(nèi),因此系統(tǒng)控制精度較高。

7 結(jié)論

本設(shè)計以Actel Fusion系列FPGA為數(shù)字系統(tǒng)的控制核心,以異步電動機的穩(wěn)態(tài)模型為數(shù)學(xué)模型,采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比方法進行控制,并運用空間矢量PWM算法實現(xiàn)變頻調(diào)速。軟件的編寫使用Verilog HDL語言,在算法的實現(xiàn)上,采用計算與查詢相結(jié)合的方法,充分利用了FPGA內(nèi)部的Flash Memory,以減少算法對邏輯內(nèi)核的使用,并發(fā)揮了其優(yōu)秀的硬件執(zhí)行速度。從實驗分析可以看出,本設(shè)計的基本技術(shù)指標較好,如輸出頻率的偏差小、頻率調(diào)節(jié)精度高等,實現(xiàn)了簡易的變頻調(diào)速功能。

[1] 顧繩谷.電機及拖動基礎(chǔ)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2] 阮毅,陳維鈞.運動控制系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[3] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.

[4] 周立功.Actel FPGA原理與應(yīng)用——基于Fusion系列[M].廣州:廣州致遠電子有限公司,2007.

[5] Mitsubishi Semiconductor.PS21564-P Data M anual[Z].Mitsubishi Electric,2005.

[6] 袁俊泉,孫敏琪,曹瑞.Verilog HDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

修改稿日期:2010-09-16