經濟高效的矢量控制驅動（上）

Ｐａｖｅｌ　Ｓｕｓｔｅｋ

摘要：本文描述了基于飛思卡爾MC56F8013／23數字信號控制器的三相AC感應電機矢量驅動解決方案。

關鍵詞：交流感應電機；矢量控制驅動；MC56F8013／23；單旁路電流傳感

簡介

由于能效、環境問題及遵守新的能耗規定的必要性，對節能型工業和家用電器的需求最近也在攀升。這些規定迫使人們為洗衣機、空調壓縮機系統和風機等電器開發節能電機。據估計，電動機消耗的電力占工業應用消耗的總電力的70％以上，美國電力研究協會研究顯示，超過60％的工業電機以低于它們的額定負荷容量運行。

交流感應電機(ACIM)在工業和消費電子中的流行有很多原因(見圖1)。它們非常簡便(它們沒有刷子)，不但制造成本低，而且功能強大，幾乎不需要維護。它們的生產已經有一些年頭，因此它們的構造極度優化。在過去，這類電機的運行一直不需要速度控制，而且為了達到理想的結果而頻繁啟動和停止。這一過程使用的大約50％的電力都被浪費。

現在，人們在考慮很多新的減少ACIM的電力消耗的方法，包括新的電機效率技術。利用模擬電機電路的數字控制，系統成本和功耗可以大大降低。本文描述了基于飛思卡爾MC56F8013／23數字信號控制器(DSC)的三相AC感應電機矢量驅動解決方案，為消費和工業電機驅動充分利用經濟高效的解決方案的優勢。

三相交流感應電機

ACIM是旨在從三相交流電源中運行的旋轉電機。每個定子的內部外設中的插槽都包含一個三相繞組。每個繞組中的順序都進行分配，這樣定子繞組中的電流就在氣隙的外設周圍產生一個近似正弦曲線分布的磁通密度。當時間呈正弦曲線分布、但又以120度交錯放置在相位中的三個電流流經三個對稱放置的繞組時，就會產生放射狀氣隙繞組磁通密度，它們也呈正弦曲線分布在氣隙周圍，以相當于定子電流角頻率的角速度旋轉。

最常見的感應電機類型有一個鼠籠轉子，其中，鋁導線或鋁條鑄入轉子外設的插槽中。轉子的兩端均使用鑄鋁端環形成鋁導線或鋁條短路，鑄鋁端環也可用作風機。因為正弦曲線分布磁通密度波由定子勵磁電流掠過轉子導線產生，所以在導線中產生電壓，最終產生短路轉子條中的正弦曲線分布電流。因為這些短路鋁條具有低電阻，所以只要求磁通波的角速度和兩極轉子的機械角速度之間的相對較小的角速度來生成必要的轉子電流。相對角速度叫作滑流速度。正弦曲線分布的氣隙磁通密度和感應轉子電流間的交互生成轉子上的扭矩。

AC感應電機的矢量控制

為了實現三相AC感應電機中的可變速度運行，必須為電機提供可變電壓和可變頻率。現代三相可變速度驅動(VSD)都配有數字控制的開關逆變器，可以極大地降低系統總功耗。使用可變速度驅動可以節省最多60％的電力，資源利用率可以提高三到四倍，能夠實現以前不可能實現的功能。可變速度驅動的功率范圍在電冰箱壓縮機中為0.2～0.4kW，在洗衣機中為0.8-1kW，在住宅和公共服務的電氣驅動中(例如多層住宅的冷水和熱水泵、中繼線中的冷水管道等)為3～100kW。

控制算法可以分為兩大類。第一類是標量控制，恒定電壓／頻率控制是非常流行的控制方法。另一類是矢量或磁場定向控制(FOC)，矢量控制方法能夠提供比標量控制更高的驅動性能。FOC的優勢包括更高效率、完全扭矩控制、磁通和扭矩控制分離、動力學改進等。

FOC算法的基本理念是將定子電流分解為生成磁通的部分和生成扭矩的部分。兩個部分可以在分解后分別控制。這樣，電機控制器的結構就與分別激振的DC電機的結構一樣簡單。圖2顯示了AC感應電機的矢量控制的基本結構。

要執行矢量控制，必須采取以下這些步驟：

·測量電機參量(相位電壓和電流)；

·使用Clarke轉換，把它們轉換成二相系統(α，β)；

·計算轉子磁通空間矢量幅值和位置角度；

·使用Park轉換，把定子電流轉換成d—q參考幀；

·分別控制生成定子電流扭矩(isq)的部分和生成磁通(isd)的部分；

·使用去耦模塊計算輸出定子電壓空間矢量；

·使用Park逆轉換，轉換定子電壓空間矢量，把d-q參考幀轉換回用定子固定的二相系統；

·使用空間矢量調制(SVM)，生成輸出三相電壓。

要把電流分解為生成磁通的部分和生成扭矩的部分(isd、isq)，我們需要知道電機磁通的位置。這需要與轉子連接的速度或位置傳感器傳感準確的速度信息。增量編碼器或解析器被作為矢量控制驅動的位置傳導器使用。在成本敏感的應用中(如洗衣機)，測速發電機被廣泛采用。然而在有些應用中，并不需要使用速度／位置傳感器。目的并不是直接測量速度／位置，而是采用某些間接方法，估算轉子位置。那些沒有采用速度傳感器的算法被稱為“無傳感器控制”。

矢量控制算法描述

已實施的控制算法的概述框圖請見圖3。與其他面向矢量控制的方法一樣，它能夠分別控制感應電機的勵磁和扭矩。控制的目的是為了調節電機速度，速度命令值由高級控制進行設置。該算法在兩條控制回路中實施，快速內部控制回路實施采用125μs周期，慢速外部控制回路的實施采用1毫秒周期。

為了實現感應電機控制，該算法使用一組饋入信號。基本饋入信號是DC總線電壓、三相定子電流，它們是從DC總線電流和電機速度重構而來。為了實現正確操作，控制結構要求電機軸上有速度傳感器。在提供算法的情況下，使用增量編碼器。

快速控制回路實施兩個獨立電流控制回路，它們是直軸和正交軸電流(isd、isq)PI控制器。直軸電流(isd)用于控制轉子磁通，正交軸電流(isq)對應電機扭矩。電流PI控制器的輸出用去耦定子電壓的相應d和q軸部分進行匯總，這樣我們就獲得了應用于電機的定子電壓的理想空間矢量。快速控制回路執行所有必要任務，支持定子電流部分的獨立控制。這些功能模塊包括：

·三相電流重構；

·前向Clark轉換；

·前向和后向Park轉換；

·轉子磁化通量位置估算；

·DC總線電壓波動消除；

·空間矢量調制(SVM)。

慢速控制回路執行速度和磁場弱化控制器和低優先級控制任務。PI速度控制器輸出為生成定子電流的正交軸分量(isq)的扭矩設置參考。生成定子電流的直軸分量(isd)的磁通參考由磁場弱化控制器設置。自適應電路糾正轉子時間常量，最大限度地減少轉子磁通位置估算的錯誤。(本文第2部分本刊下期刊出)