林立，姬長(zhǎng)義，林敏之，李亞楠

（1.422000 湖南省 邵陽(yáng)市 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.422000 湖南省 邵陽(yáng)市 邵陽(yáng)資水科技有限公司）

0 引言

近年來(lái)，環(huán)境污染、能源緊張、全球變暖等一系列問(wèn)題以及國(guó)家政策的大力扶持，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)成為一種趨勢(shì)[1-2]。異步電機(jī)因其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)實(shí)耐用、相較于永磁同步電機(jī)無(wú)永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、家電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-4]。隨著技術(shù)的發(fā)展，研究高性能的電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)純電動(dòng)汽車的發(fā)展至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)多以永磁同步電機(jī)作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)，異步電機(jī)在此領(lǐng)域的應(yīng)用與研究較少。為進(jìn)一步研究車用異步電機(jī)高性能控制策略，搭建易于開發(fā)車用異步電機(jī)高性能控制策略實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就顯得尤為重要[5-8]。本文在分析了異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，在MATLAB/Simulink 中完成了對(duì)基于空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）控制的車用異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模型的搭建，并在MATLAB/Simulink 與CCS6.2 環(huán)境中編寫了基于TMS320F28335 控制的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)代碼生成軟件，其中包含中斷模塊、脈寬調(diào)制（Pulse width Modulation，PWM）模塊、正交編碼（Quadrature Encoder Pulse，QEP）模塊、串口通信（Serial Communication Interface，SCI）模塊等，使用LabVIEW 建立了上位機(jī)監(jiān)控界面，搭建了以IPM-FSBB30CH060 為逆變電路主要元件的車用異步電機(jī)高性能控制平臺(tái)，對(duì)車用異步電機(jī)高性能控制策略進(jìn)行了較為全面的研究。

1 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及坐標(biāo)變換

在分析異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)，通常認(rèn)為三相繞組對(duì)稱，且忽略空間諧波，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙按正弦規(guī)律分布。不考慮鐵心損耗、磁鏈飽和以及溫度、頻率變化對(duì)繞組電阻的影響。

為提高異步電機(jī)控制性能，需要針對(duì)其非線性、多變量、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)[9-10]，分析轉(zhuǎn)矩、磁鏈規(guī)律，建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

1.1 αβ 坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程

異步電機(jī)αβ坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為：

式中：Ls——電機(jī)定子自感；Lr——電機(jī)轉(zhuǎn)子自感；Lm——電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間互感；σ——漏磁系數(shù)，；Tr——轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)，；ψrα，ψrβ——轉(zhuǎn)子磁鏈；Rs、Rr——定、轉(zhuǎn)子電阻；ω——電磁角速度；TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

式中：np——異步電機(jī)極對(duì)數(shù)。

1.2 坐標(biāo)變換

1.2.1 三相-兩相變換(Clark 變換)

αβ坐標(biāo)系下的電流iα、iβ可用三相繞組電流ia、ib、ic表示為：

1.2.2 Park 變換

αβ坐標(biāo)系下的電流iα、iβ可用isd、isq表示為：

2 SVPWM 原理與實(shí)現(xiàn)

2.1 SVPWM 原理

8 個(gè)基本電壓矢量由逆變器6 個(gè)功率開關(guān)器件通斷產(chǎn)生，其中6 個(gè)有效矢量、2 個(gè)零矢量。SVPWM 將αβ坐標(biāo)系劃分為6 個(gè)扇區(qū)，如圖1 所示。

圖1 電壓空間矢量圖Fig.1 Voltage space vector diagram

以扇區(qū)I 為例，期望輸出電壓矢量為Uout可由有效電壓矢量U4、U6及零矢量U0、U7合成，矢量U4、U6作用時(shí)間計(jì)算如式（5）所示。

式中：Ud——直流端電壓；Ts——PWM 作用周期；θ——期望電壓與基本電壓U4的夾角；t1，t2——基本電壓U4、U6作用時(shí)間。零矢量作用時(shí)間為t0=Ts-t1-t2。這就要保證Ts＞t1+t2，當(dāng)Ts＜ t1+t2時(shí)就要對(duì)作用時(shí)間進(jìn)行調(diào)制。

2.2 SVPWM 實(shí)現(xiàn)

首先對(duì)期望電壓進(jìn)行扇區(qū)判斷，扇區(qū)的判斷需要引入中間量Uref1，Uref2，Uref3，A，B，C。令：

當(dāng)Uref1＞0，則A=1，否則A=0；

當(dāng)Uref2＞0，則B=1，否則B=0；

當(dāng)Uref3＞0，則C=1，否則C=0；

扇區(qū)值N=A+2B+4C，根據(jù)表1 得到期望電壓所在扇區(qū)。

表1 扇區(qū)值與扇區(qū)關(guān)系Tab.1 Relationship between sector value and sector

扇區(qū)判斷完成后需要計(jì)算相鄰電壓矢量作用時(shí)間，令：

不同扇區(qū)對(duì)應(yīng)的矢量作用時(shí)間如表2 所示。

表2 各扇區(qū)對(duì)應(yīng)矢量作用時(shí)間Tab.2 Vector action time corresponding to each sector

利用零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方式確定切換時(shí)間，計(jì)算方式為：

根據(jù)表3 確定各扇區(qū)的矢量切換時(shí)間點(diǎn)。

表3 各扇區(qū)矢量切換點(diǎn)Tab.3 Vector switching point of each sector

Tcm1、Tcm2、Tcm3是與三角載波進(jìn)行比較產(chǎn)生PWM 脈沖的3 個(gè)比較值。

3 矢量控制系統(tǒng)仿真分析

依據(jù)式（1）-式（8）分析，分別搭建異步電機(jī)、SVPWM、逆變器、Clark/Park 變換與其逆變換的仿真模型，組成系統(tǒng)仿真模型，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)仿真模型Fig.2 System simulation model

仿真時(shí)，異步電機(jī)參數(shù)為：Ls=Lr=0.071 H，Lm=0.069 H，Rs=0.435 Ω，Rr=0.816 Ω，J=0.19 kg·m2，np=2。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 中，kp=50，ki=0.8，積分內(nèi)限幅為±80，外限幅為±50。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR中，kp=50、ki=0.8，積分內(nèi)限幅為±60，外限幅為±80。磁鏈調(diào)節(jié)器Aphir 中，kp=1.8，ki=100，積分內(nèi)限幅為±15，外限幅為±10。轉(zhuǎn)速給定初始值600 r/min，勵(lì)磁電流給定初始值idref=5 A。0～0.5 s時(shí)，TL=10 N·m，0.5～1.0 s 時(shí)，TL=30 N·m，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及電流仿真波形圖Fig.3 Simulation waveform of speed,torque and current

由圖3 可知，系統(tǒng)在0.25 s 快速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速值，電流能夠穩(wěn)定在±15 A 內(nèi)；0.5 s 突加負(fù)載至30 N·m 時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩能夠快速響應(yīng)，經(jīng)過(guò)0.015 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)且轉(zhuǎn)速波動(dòng)很小。仿真結(jié)果表明，所建立的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較好的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文以DSP 控制器TMS320F28335 為核心搭建了硬件平臺(tái)，系統(tǒng)硬件原理框圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.4 Schematic block diagram of system hardware

硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5 所示，圖5 中：A——上位機(jī)；B——TMS320F28335 控制器；C——驅(qū)動(dòng)板；D——24 V 開關(guān)電源；E——220 V AC-DC 開關(guān)電源；F——異步電機(jī)；G——正交光電編碼器。

圖5 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Hardware experiment platform

上位機(jī)負(fù)責(zé)程序編寫、代碼生成，并利用通信串口與控制器通訊，通過(guò)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線觀測(cè)與實(shí)時(shí)控制。驅(qū)動(dòng)板由主電路、IPM-FSBB30CH060、電流傳感器、電壓傳感器等組成。IPM-FSBB30CH060 內(nèi)部集成有控制電路、邏輯電路、檢測(cè)電路和保護(hù)電路，控制電路采用大功率晶體管，具有耐高壓、高電流密度等優(yōu)點(diǎn)。24 V 開關(guān)電源為驅(qū)動(dòng)板供電，220 V AC-DC 開關(guān)電源為主電路供電。2 個(gè)電流傳感器測(cè)量V 相、W相電流，電壓傳感器檢測(cè)主電路電壓。

4.2 軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)由異步電機(jī)矢量控制代碼生成程序和系統(tǒng)監(jiān)控界面組成，異步電機(jī)矢量控制代碼生成程序如圖6 所示。

圖6 矢量控制程序Fig.6 Vector control program

異步電機(jī)矢量控制程序由中斷向量表、PWM模塊、QEP 模塊、SCI 模塊組成。state 為軟件啟停參數(shù)，speed_base 為轉(zhuǎn)速計(jì)算參數(shù)，tmpg 為單位時(shí)間脈沖個(gè)數(shù)，rpm_kp、rpm_ki、isd_kp、isd_ki、isq_kp、isq_ki 分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PI 參數(shù)、定子勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)PI 參數(shù)、定子轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)PI 參數(shù)，tr 為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，lm 為互感、ws 為轉(zhuǎn)差頻率、usdlimit、usqlimit 為勵(lì)磁電壓和轉(zhuǎn)矩電壓的限幅、rpm 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的反饋，ia、ib、ic 為三相電流，aaa、bbb 為 A、B 相電流數(shù)字量，ia_k、ib_k 為 A、B 電流數(shù)字量補(bǔ)償。

PWM模塊包含ADC采樣、坐標(biāo)變換、SVPWM、磁鏈角度計(jì)算和3 個(gè)PI 調(diào)節(jié)器（轉(zhuǎn)速外環(huán)1 個(gè)，電流內(nèi)環(huán)2 個(gè)）。QEP 模塊用于電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)。SCI 模塊用于上位機(jī)串口與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)通訊，并通過(guò)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線觀測(cè)與實(shí)時(shí)控制。監(jiān)控界面能夠檢測(cè)并圖像顯示轉(zhuǎn)速、三相電流、定子轉(zhuǎn)矩電流、定子勵(lì)磁電流以及勵(lì)磁電壓、轉(zhuǎn)矩電壓。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的異步電機(jī)高性能控制平臺(tái)的性能，以額定功率PN=60 W、頻率f=50 Hz、額定電流IN=0.35 A、額定電壓UN=380 V、額定轉(zhuǎn)速nN=1 430 r/min 的三相異步電機(jī)作為被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)時(shí)給定初始轉(zhuǎn)速為600 r/min，監(jiān)控界面數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 上位機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)Fig.7 Upper computer speed detection

系統(tǒng)能夠快速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速且穩(wěn)定運(yùn)行，電流能夠穩(wěn)定在±0.2 A 內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所搭建的異步電機(jī)控制平臺(tái)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，所構(gòu)建的上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速、相電流、勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)矩電流等信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與圖像化顯示。

6 結(jié)語(yǔ)

文章研究了異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理，分析了異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型以及SVPWM 調(diào)制方法，利用MATLAB/Simulink 搭建了異步電機(jī)、坐標(biāo)變換、主電路和SVPWM 控制算法仿真模型，對(duì)異步電機(jī)矢量控制進(jìn)行了系統(tǒng)建模及仿真驗(yàn)證，并在MATLAB/Simulink 和CCS6.2 環(huán)境中搭建了以TMS320F28335 控制的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)代碼生成軟件，利用LabVIEW 構(gòu)建了上位機(jī)監(jiān)控界面，搭建了硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。文章所設(shè)計(jì)搭建的異步電機(jī)高性能控制平臺(tái)滿足了車用異步電機(jī)高性能控制策略開發(fā)需求，可以進(jìn)一步進(jìn)行異步電機(jī)高性能控制策略研究，在工程實(shí)踐應(yīng)用上具有重要參考價(jià)值。