基于Matlab无速度传感器异步电机矢量控制器的建模与代码生成

　　1　控制器的建模

　　DSP作为无速度传感器矢量控制器的核心,执行所有的控制逻辑。对DSP而言,输入量包括油门踏板给出的速度给定ωr,以及电机的三相电流反馈iu、iv、iw,无速度输入;输出量是驱动三相逆变电路的6路PWM信号, TMS320F2812具有硬件PWM发生器,PWM的产生方法没有必要建模和生成代码,故仿真模型中设定输出量为电机三相电压Vu、Vv、Vw。矢量控制是一个速度-电流双闭环控制系统,仿真模型如图1所示。模型需要转化为代码在DSP中运行,故只能使用Simulink中的离散时间模块。

　　基于三相静止坐标系的变量在模型中加后缀u、v或w来区别;两相静止坐标系的变量加a或b后缀;两相旋转坐标系下变量加d或q后缀。图1中标*的变量表示目标量,标^的变量表示估计量。控制系统的速度环由带限幅的PI调节器构成,ωr为速度环的给定,转速的反馈ω^r由磁链观测器提供,PI环节的输出根据电机参数计算(模块Fcn1)得到电磁转矩分量电流的给定值iqs;电流环基于两相旋转坐标系(dq)设计,分别针对转子磁链分量和电磁转矩分量进行带前馈解耦的PI调节,λr(Lamda_r)是转子磁链的给定值,根据电机参数计算(模块Fcn3)得到转子磁链分量电流的给定值ids。自适应磁链观测器在两相固定坐标系下,基于电机的激励(相电压)和响应(相电流),计算出电机转速ω^r和转子磁链相位θ(theta)。

　　1.1　坐标变换模块

　　坐标变换模块将变量在两相/三相静止坐标系之间,或两相静止/旋转坐标系之间转换,转换公式如表1。

　　1.2　电流控制模块

　　电流控制模块控制定子电压,使电机实际电流不断跟踪参考电流,实现电流闭环控制。定子电流在dq坐标系下可以解耦为控制转子磁链的ids和控制电磁转矩的iqs,通常,电流控制模块使ids保持给定的恒定值,使iqs跟踪给定的变化。

　　定子电压在dq坐标系下的d(q)轴分量Vds(Vqs)不仅仅是ids(iqs)的函数,还存在交叉耦合项ωm[Ls-M2/Lr]iqs(ids),其中M为电机互感,Ls为定子自感,Lr为转子自感。为此,如图2,引入前馈解耦,使用给定d、q轴电流计算交叉耦合电压项,再将其叠加到电机控制电压端进行补偿,从而消除交叉耦合电压项的影响,使PI控制环能够良好工作。

　　式中的ωm为转子磁链同步角速度,而磁链观测器输出的ω^r为转子实际角速度,两者之间存在转差,图1中模块Fcn,使用iqs计算转差角频率,与ω^r相加计算出ωm,供前馈环节使用。

　　1.3　磁链观测器模块

　　磁链观测器在两相固定坐标系下设计,采用模型参考自适应方法。交流异步电机在该坐标系下的状态空间表达式如下:

　　将相同的激励vs作用于电机和其参考模型,比较其响应is、i^s,设计参数调整算法来根据其响应间误差e不断调整矩阵A中的可变参数ωr,使误差e趋于0。磁链观测器在Simulink中的模型如图3所示,其中各矩阵模块按照式(3)定义,将输入向量与矩阵相乘。