運用P-PI控制器基于FPGA的同步機轉(zhuǎn)速控制.doc

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1、運用P-PI控制器基于FPGA的同步電機轉(zhuǎn)速控制（突尼斯）M-W.Naouar［摘要］本文介紹了一種新型的同步電機P-PI轉(zhuǎn)速控制器。它由內(nèi)部和外部轉(zhuǎn)速控制反饋回路組成。內(nèi)環(huán)配置受控系統(tǒng)的極點在期望點，外環(huán)影響轉(zhuǎn)速響應(yīng)的曲線和動態(tài)性能。為確保轉(zhuǎn)速控制運行有效，還開發(fā)了一種精確的轉(zhuǎn)速預(yù)估器，該預(yù)估器能夠通過絕對編碼器從轉(zhuǎn)子機械位置估算轉(zhuǎn)速。在原型測試平臺上得到的實驗結(jié)果證明了開發(fā)的同步電機轉(zhuǎn)速控制器的有效性。［關(guān)鍵字］P-PI轉(zhuǎn)速控制器：轉(zhuǎn)速預(yù)估器：FPGA：同步電機術(shù)語S,r定子，轉(zhuǎn)子d,q同步坐標(biāo)參考系V電壓I電流0磁通Te電磁

2、轉(zhuǎn)矩tl負(fù)載轉(zhuǎn)矩R電阻L電感co角速度3轉(zhuǎn)子位置f粘性摩擦系數(shù)J轉(zhuǎn)子慣性P極對數(shù)1緒論同步電機擁有許多能夠吸引工業(yè)廣泛應(yīng)用的特點⑴。事實上，它們有很多優(yōu)點，如，高的電流轉(zhuǎn)矩比，高的重量功率比，耐操作，易控制。由于這些原因，同步電機廣泛應(yīng)用于高性能的驅(qū)動領(lǐng)域。高性能驅(qū)動領(lǐng)域中最重要的轉(zhuǎn)速控制指標(biāo)有快速的動態(tài)性能、精確的轉(zhuǎn)速響應(yīng)和干擾時快速恢復(fù)⑵。為了滿足這些指標(biāo)，在控制算法中使用穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速控制器并通過實時計算精準(zhǔn)地檢測轉(zhuǎn)速就變得尤其重要。傳統(tǒng)的比例積分（PI）和比例積分微分（PID）控制器就廣泛地應(yīng)用在同步電機的轉(zhuǎn)速控制器中。本文為

3、同步電機的轉(zhuǎn)速控制提出了一個新方案。在此方案中，同步電機的轉(zhuǎn)速控制是通過一個P?PI控制器實現(xiàn)的。該控制器具有內(nèi)、外的轉(zhuǎn)速控制回路。內(nèi)環(huán)由比例P控制器構(gòu)成，它可以將被控系統(tǒng)的極點配置為期望點。比例積分PI控制用于外環(huán)，以保證零穩(wěn)態(tài)誤差，從而影響轉(zhuǎn)速響應(yīng)的曲線形狀和動態(tài)性能。對于轉(zhuǎn)速反饋回路，轉(zhuǎn)速是通過一個增量編碼器對轉(zhuǎn)子位置直接預(yù)估的。一階歐拉逼近法用于轉(zhuǎn)速預(yù)估。該方法的采樣周期不是常數(shù)。實際上，是根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整采樣周期來得到更好的轉(zhuǎn)速估算精度。控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。在控制系統(tǒng)中，除了勵磁電流控制算法，還有轉(zhuǎn)速控制算法以及數(shù)

4、模轉(zhuǎn)換接口AD和RS232串聯(lián)接口UART（通用異步收發(fā)兩用機）集成于一個FPGA芯片上，這個單片集成系統(tǒng)SOC計算時間為幾微妙，其中包括數(shù)模轉(zhuǎn)換時間。這樣，反饋控制是實際進(jìn)行的，而且采樣、延遲的時間與系統(tǒng)處理時間相比非常小。這些優(yōu)點提高了控制系統(tǒng)的性能。最后潯岳扛FPGA上實現(xiàn)該控制器，RS232可以達(dá)到與模擬控黑jsrk好的效果。圖I繞線式轉(zhuǎn)子同步電機控制系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)G,C2和C3。圖2電流控制器原理dq到123的變換得到定子電流給定值isiiS2和G3*o通過定子電流給定值和實測的定子電流比較，一個三相滯回電流控制器的輸

5、岀來決定電壓源逆變器（VSI）本文結(jié)構(gòu)如下：在第2部分首先講述電流控制策略。接著第3部分講述P?PI轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計時的不同考慮。此后，第4部分講述了根據(jù)被檢測的轉(zhuǎn)子位置估算出轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速預(yù)估器。最后，為了驗證開發(fā)的控制系統(tǒng)的性能，在第5部分展示了一些實驗結(jié)果。2電流控制器設(shè)計被控系統(tǒng)是凸極、繞線式轉(zhuǎn)子同步電機。其dq轉(zhuǎn)子參考系d軸與轉(zhuǎn)子繞組相關(guān)冊電氣方程式如珥1）?（6＞＞機械方程式如式（7b(1)匕＜7=人爲(wèi)+警一①為(2)仇d=L)$d+Msrird(3)為=認(rèn)(4)也=LJm+M丄(5)3人=齊（必_認(rèn)）(6)J^=P(Te-

6、TL)-fco(7)同步電機額定值和參數(shù)如附錄所示。開發(fā)電流控制器，設(shè)計者必須考慮到電流控制器的基本需求一一高精度和快速地控制瞬時電流波形，以提供高的動態(tài)性能和低的電流諧波分量⑸。圖2為電流控制器。一個滯回電流控制器的主要優(yōu)點為簡單、與負(fù)載參數(shù)無關(guān)和優(yōu)越的動態(tài)性能。然而，滯回電流控制器需要定子電流在滯回帶內(nèi)跟隨給定值。因此，開關(guān)頻率是變化的，電壓源逆變器的運行是不規(guī)則的。特別在反電動勢EMF很低的低速運行時，這個問題尤為嚴(yán)重。這導(dǎo)致了更高的諧波電流分量和低速運行時對逆變器保護的難度。為了處理這個問題，我們采用一種特殊的限制開關(guān)頻率

7、的滯回電流控制器。在這個滯回電流控制系統(tǒng)中，每個采樣周期都計算并使用開關(guān)狀態(tài)G，C2和C3。因此，逆變頻率被限制到采樣頻率。這樣，在采樣頻率低于電壓源逆變器最大開關(guān)頻率時，滯回控制器的帶寬可以設(shè)定為零。在這種情況下，開關(guān)頻率的變化不會超過使用的采樣頻率。但是，電流的紋波不是常數(shù)并且會超出滯回帶。超出滯回帶是由負(fù)載參數(shù)、直流電壓和采樣頻率決定的。這種電流控制技術(shù)很適合定子電抗高的同步電機，因為在這種情況下的采樣周期與同步電機的電磁時間常數(shù)相比很小。圖3顯示了經(jīng)典滯回電流控制器與限制開關(guān)頻率的滯回電流控制器的試驗結(jié)果的區(qū)別。這些結(jié)果是

8、從低速運行（°^2?！竌d/s）和20%額定定子電流滯回帶寬值下的試驗中獲得的。圖4為滯回電流控制器帶寬為0時，定子電流波形和q軸電流給定值的階躍響應(yīng)的實驗結(jié)果。圖5為采用限制開關(guān)頻率滯回電流控制器的一個■amim■■■電wjnjT少—比嗎陽刮艸血