摘要：本文介紹了一種采用磁鏈和開環速度估算器的轉子磁場定向的控制系統，系統設計的的關鍵問題是磁鏈的觀測和速度的準確估算。在系統動態過程中，電機的一些定、轉子參數會隨著電機溫升和磁路飽和的影響而發生變化，是時變參數，本文按照模型參考自適應系統構造出參考模型和可調模型來實現了擴展卡爾曼濾波對磁鏈和電機轉速的估算，并成功應用此算法設計了一套DSP實驗控制系統，實現了速度自適應識別。同時本文介紹了DSP實驗系統的硬件和軟件實現方法并對實驗結果進行了分析。模型試驗應用于1.0 kW的感應電機取得了較好的的控制效果。
關鍵詞：感應電機 自適應 無速度傳感器 DSP

1 前言
　　以轉子磁場定向的矢量控制系統已經廣泛應用于高性能的工業場合，由于矢量控制需要轉速閉環，因此很多情況下，人們是利用同軸安裝的速度傳感器測速。但是精密的速度傳感器價格較高，且在某些惡劣環境下無法安裝速度傳感器，因此近年來研究較多的是無速度傳感器矢量控制技術。對于無速度傳感器系統，由于電機終端可測量的只有電壓和電流信號，因此轉速和轉子磁鏈只能通過電壓和電流計算得到。這種系統需解決兩個問題：轉速的估計和轉子磁鏈的觀測[1]。
　　
2 異步電動機轉子磁場定向矢量控制的基本原理
2.1轉子磁場定向矢量控制基本原理
　　1971年德國人F.Blaschke提出“感應電機磁場定向的控制原理”，是人們首次提出矢量控制的概念，以后在實踐中經過不斷改進，形成了現在普遍采用的矢量控制系統。磁場定向化了多變量強耦合的交流變頻調速系統的控制問題。


 

2.2無速度傳感器矢量控制的自適應轉速估計
　　為實現精確的速度反饋控制，必須能準確獲得電機的轉速信號，同時進行轉子磁鏈的準確觀測，也需要轉速反饋信號。在無速度傳感器矢量控制系統中，只能對電機的定子電流和電壓進行實時檢測，因此可以由定子電壓和電流進行計算得到轉速大小。在系統動態過程中，電機的一些定、轉子參數會隨著電機溫升和磁路飽和的影響而發生變化，是時變參數，因此可以按照模型參考自適應系統構造出參考模型和可調模型計算出電機轉速。
　　根據電機在兩相靜止坐標系中的Park方程和磁鏈方程，可以得到兩種形式的轉子磁鏈模型：
 

3 DSP系統的實現
　　系統的硬件組成如圖1所示。控制核心系統選用微處理器TMS320LF2407A，它是為專門控制電機而設計的數字信號處理器，有12 路的PWM輸出，其內核是16位的，具有4級流水線，頻率可達40MHz ，內置有32K的FLASH ROM，本設計不需要另外加程序存儲器。電流檢測經放大濾波后由DSP的10位A/D轉換為數字信號。

　　系統的部分驅動電路如圖2所示。算法生成的控制信號，由DSP的事件管理模塊的PWM1~PWM6輸出PWM信號，經6N137高速光耦隔離，帶動IR的IR2132S輸出驅動ST公司的STGW20NB60KDIGBT實現交流電機的高性能控制。為提高系統的可靠性和抗干擾性，在系統設計中采用了光耦隔離和拉高、拉低等設計方法。
　　系統軟件的實現以前面推導的轉子磁場定向理論為基礎實現，軟件主程序框圖如圖3所示，T1下溢中斷服務程序框圖如圖4所示。在實際工作中，由于逆變器的輸出電流中含有大量噪聲，且當模擬量經過A/D 轉換器變為數字量時會附加上轉換噪聲，因此，必須先對定子電流的實際測量值進行低通濾波。通過軟件實現擴展卡爾曼濾波對磁鏈和轉速的估計，以及空間矢量調制算法，獲得了令人滿意的實驗結果。證明擴展卡爾曼濾波算法對磁鏈和轉速的實時估計是非常準確的，由此構成的無速度傳感器系統具有良好的靜、動態性能。

4實驗結果
　　采用本文推導的控制算法設計的DSP實驗開發板，應用于一臺1.0Kw三相交流感應電機。實驗結果如圖所示：圖5為三相定子電流，圖6為電機轉速響應曲線。由實驗測的數據我們可知，采用本控制算法可以得到較好波形的三相正弦波，電機的相應速度快，超調小，能實現電機的高性能無速度傳感器控制。系統的硬件和軟件設計可靠實現了三相電機的控制。

5 結論
　　綜上所述，無速度傳感器矢量控制無疑是今后的發展方向，對于矢量控制需要解決的關鍵問題是轉速估計和磁鏈觀測。不論是采用什么估計方法，對變量估計或觀測的準確性是至關重要的。如今隨著各種新的控制理論的提出，以及具有高速處理能力的微處理器的研制成功，計算的速度不再是限制控制算法的瓶頸，使得人們可以把最新的控制算法用于電機控制，不斷地提高矢量控制系統的各種性能。