异步电动机控制器的设计方法探讨

石　严

摘要：作为交流异步电机控制的一种方式，矢量控制技术已成为高性能变频调速系统的首选方案。本文介绍异步电动机矢量控制调速系统模块化设计的一些方法。

关键词：异步电机 矢量控制 控制器

1 矢量控制的基本原理

设异步电机三相绕组(A、B、C)与二相绕组(α、β)的轴线设定，A相绕组轴线与α相绕组轴线重合，都是静止坐标，分别对应的交流电流为iA、iB、iC和iα、iβ。采用磁势分布和功率不变的绝对变换，三相交流电流在空间产生的磁势F与二相交流电流产生的磁势相等。

由二相静止坐标系(α，β)到二相旋转坐标系(d-q)的变换称为Park变换。α、β为静止坐标系，d-q为任意角速度ω旋转的旋转坐标系。当α、β静止坐标系变换为d-q旋转坐标系时，坐标轴的设定如图1所示。图中θ为α轴与d轴之间的夹角，d、q绕组在空间垂直放置，加上直流id和iq，并让d、q坐标以同步转速ω旋转，则产生的磁动势与α-β坐标系等效。d-q和α-β轴的夹角θ是一个变量，随负载、转速而变化，在不同的时刻有不同的值。

矢量控制的基本原理是:根据磁链等效原则，利用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换将定子电流分解为相互正交的两个分量励磁电流分量id与转矩电流分量iq，即用这两个电流分量所产生的电枢反应磁场来等效原来定子三相绕组电流所产生的电枢反应磁场。然后分别对id和iq进行独立控制，这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，因而可获得与直流调速系统同样好的静态及动态性能。

2 控制器设计

控制器是由常规PID控制部分和模糊控制机制、学习机制所构成。在常规PID控制器的基础上，增加了系统辨识和修正的功能，借助控制器中的自学习机制，不断地修改隶属函数，实时调整PID算法中的比例系数（KP）、积分系数（KI）、微分系数（KD），达到实时调整控制的作用，使系统模型渐趋完善，直到系统性能达到预期要求为止。控制器中知识库用于存放模糊控制规则和学习规则以及输人（速度误差e、速度误差变化率ec）、输出语言变量的所有模糊子集的隶属函数。学习机制包括性能测量、隶属函数校正、隶属函数修正等几个功能模块。其工作原理是：控制器依据当前误差和误差变化率，借助自学习功能和模糊控制规则进行推理，控制器输出作为当前控制器的参数进行PID调节。

3 调节器模块设计

电流内环和速度外环都是按PI控制策略进行调节的，式(1)为双线性变换PI调节器的迭代公式。

O[n]=P[n]+I[n] (1)

其中比例项迭代公式为:

P[n]=Kp·E[n] (2)

积分项迭代公式为:

I[n]=I[n-1]+Kh(E[n]+E[n-1]) (3)

式中E[n]为误差输入，Kp为比例增益，Kh为积分增益，Kp和Kh的范围由电机参数决定，并且需要通过实验来确定其具体值。为防止溢出，调节器设置了饱和限制。电流PI调节器输出的是电压指令，以调制系数的形式经过补偿后送给SVPWM模块;速度PI调节器输出的是参考电流指令，直接送给电流调节器。不管是电流调节器还是速度调节器，如果参考指令值比较大，其积分器就有可能会建立起一个很大的误差值，并且由于积分器的惯性作用，这个误差会一直保持较长时间，从而将导致过大的超调。因此在设计PI调节器时，应当在积分器的输出超过限定值时立即关闭积分作用，以减少过度超调的影响。

4 测速模块设计

基于转子磁场定向的异步电机矢量控制变频调速控制器的关键问题是转子位置及反馈速度的测量。本方案采用增量式光电码盘及霍尔元件作为位置检测器件，在上电复位时由霍尔元件粗略检测电机转子的初始位置进行软启动，当码盘的Z脉冲出现后就可以得到精确的位置信息。位置计数则按码盘的2个正交输出脉冲QEP1和QEP2的4倍频进行。转速是利用M/T法进行测量的。M/T法是在M法的基础上吸取T法的优点，其测量转速的过程为:在转速输出脉冲的下降沿启动定时器(定时长度为Tc)，同时记录转速输出脉冲个数m1和时钟脉冲个数m2。测量时间到，先停止对转速输出脉冲个数的计数，待下一个转速输出脉冲下降沿到来时，再停止对时钟脉冲计数，以保证测到整个转速传感器的输出脉冲。所设的基本测量时间TC可避免T法因转速高导致测量时间减小的缺点;同时读取对时钟脉冲的计数值可避免M法因转速降低导致精度变差的缺点。

参考文献：

[1]周兆勇，李铁才.基于矢量控制的高性能交流电机速度伺服控制器的FPGA实现.中国电机工程学报.2004;24(5).

[2]刘和平，严利平，张学锋等.TMS320LF240X DSP结构、原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社.2002.

[3]王兆安，杨旭，王晓宝.电力电子集成技术的现状及发展方向.电力电子技术.2003.37(5).