異步電機(jī)無速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試

本文介紹了一種采用MATLAB及CCS對異步電機(jī)無速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試的方法。應(yīng)用MATLAB語言強(qiáng)大的分析能力和繪圖功能，與DSP高速運(yùn)算的優(yōu)勢相結(jié)合，在自行搭建的無傳感器矢量控制系統(tǒng)平臺進(jìn)行了調(diào)速實驗，實驗結(jié)果表明，采用Matlab調(diào)試及直接目標(biāo)代碼生成的方法能避免傳統(tǒng)計算機(jī)模擬的復(fù)雜編程過程，減少了工作量，有助于提高系統(tǒng)的綜合效率， 且能夠保持系統(tǒng)良好的動靜態(tài)調(diào)速控制性能。

1. 引言

Matlab 是一個強(qiáng)大的分析、計算和可視化工具，特別適用于控制系統(tǒng)的分析和模擬，但由于其依賴 的平臺是計算機(jī)及其CPU，因而由于CPU 系統(tǒng)功耗的原因，使得MATLAB 程序的執(zhí)行速度相對于高速信 號的輸入/輸出顯得很慢，遠(yuǎn)不能滿足實時信號處理的要求，而DSP 就其軟件的編程能力而言，與單片機(jī) 及計算機(jī)的CPU 的編程設(shè)計方法有類似之處，但DSP 比單片機(jī)的運(yùn)算速度快得多，又比CPU 的功耗及 設(shè)計復(fù)雜度低得多，但是其分析和可視化能力遠(yuǎn)不及Matlab，開發(fā)過程比較復(fù)雜。不過，目前有一種新 的技術(shù)，可以將DSP 和Matlab 兩者密切結(jié)合起來，充分利用兩者的特長，有力的促進(jìn)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。

伺服驅(qū)動裝置是印刷機(jī)無軸傳動［3］控制系統(tǒng)中重要的組成部分，國內(nèi)大部分產(chǎn)品是采用帶速度傳感器 的專用變頻器調(diào)速，控制精度不高［4］，而國外的產(chǎn)品價格又非常昂貴，由此，本文自行開發(fā)了一套基于PI 調(diào)節(jié)器的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，并且在自行搭建的實驗平臺進(jìn)行了調(diào)速實驗，在實驗過程中，運(yùn)用 了Matlab 與DSP 混合編程的調(diào)試方法，實驗結(jié)果表明，采用Matlab 調(diào)試及直接目標(biāo)代碼生成的方法能 避免傳統(tǒng)計算機(jī)模擬的復(fù)雜編程過程，減少了工作量，有助于提高系統(tǒng)的綜合效率， 且能夠保持系統(tǒng)良好 的動靜態(tài)調(diào)速控制性能，很好地滿足了印刷機(jī)無軸傳動控制系統(tǒng)的要求。

2. 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)介紹

由于采用高性能的矢量控制方法且缺省了速度傳感器，那么如何準(zhǔn)確的獲取轉(zhuǎn)速信息，且保持伺服系 統(tǒng)較高的控制精度，滿足實時控制的要求，也就成為本課題研究的重要方向。在這里我們采用PI 自適應(yīng)控 制方法 ［9］ ，利用在同步軸系中q 軸電流的誤差信號實現(xiàn)對電機(jī)速度的估算 ［9-10］ ，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 角速度給定值ω*與推算角速度反饋值ω 的誤差送入速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器的輸出即為電磁轉(zhuǎn)矩的給定 值te*，由iq1 = LrTe/PmLmФd2 可以計算出電流的q 軸分量給定值iq1*，當(dāng)q 軸電流沒達(dá)到設(shè)定值時，可由 Rs 產(chǎn)生的q 軸電壓和ω1σLs 產(chǎn)生的d 軸電壓來調(diào)節(jié)。因此，iq1*與定子電流q 軸分量的實際值iq1 的誤差 信號送入PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的輸出 uq1’為定子電流q 軸分量誤差引起定子電壓q 軸分量的調(diào)節(jié)量。

圖1 算法原理結(jié)構(gòu)框圖

其中速度推算模塊以不含有真實轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子磁鏈方程以及坐標(biāo)變換方程作為參考模型，以含有待辨識 轉(zhuǎn)速的PI 自適應(yīng)律為可調(diào)模型，以定子電流轉(zhuǎn)矩分量作為比較輸出量，采用比例積分自適應(yīng)律進(jìn)行速度估 計，經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)后，輸出量就是待求的電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種方法計算量小，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。

3. Matlab 與DSP 混合編程的調(diào)試方法

在傳統(tǒng)的開發(fā)過程中，總是先用MATLAB 進(jìn)行仿真。當(dāng)仿真結(jié)果滿意時再把算法修改成C/C++語 言， 再在硬件的DSP 目標(biāo)板上實現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)偏差，需要再用Matlab 對算法進(jìn)行修正，再在DSP 上編寫修 正的算法程序。如此過程反復(fù)進(jìn)行，在DSP 的開發(fā)工具、Matlab 工作空間之間來回多次切換，非常不 便，當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜時，還需要分步驗證各個中間結(jié)果和最終結(jié)果。

如果能夠把Matlab 和DSP 集成開發(fā) 環(huán)境CCS 及目標(biāo)DSP 連接起來，利用Matlab 的分析能力來調(diào)試DSP 代碼，那么操作TI DSP 的存儲器 或者寄存器就可以像操作Matlab 變量一樣簡單。工具包Matlab Link for CCS Development Tools 的 使用，可以使上述問題迎刃而解，利用此工具箱，在Matlab 環(huán)境下，就可以完成對CCS 的操作，即整 個目標(biāo)DSP 對于Matlab 像透明的一樣，所有操作只利用Matlab 命令和對象來實現(xiàn)，簡單、方便、 快 捷。以下用調(diào)試上述無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的例子來說明Matlab-DSP 集成開發(fā)環(huán)境在控制系統(tǒng)中的 應(yīng)用。 在Matlab 命令窗口中輸入Simulink， 打開Simulink 模塊窗，建立異步電動機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系 統(tǒng)的模型［12］，如圖2 所示，結(jié)構(gòu)簡單明了，全部實現(xiàn)模塊化，容易擴(kuò)展，可以根據(jù)實際需要，改變每一模 塊的參數(shù)。

圖2 算法原理結(jié)構(gòu)框圖

接下來設(shè)置仿真參數(shù)和Real-Time Workshop 選項，編譯仿真模型。并利用Matlab Link for CCS Development Tools 建立與目標(biāo)DSP 的連接。利用CCSLink 工具 ，可以把數(shù)據(jù)從CCS 中傳送到 Matlab 工作空間中，也可以把Matlab 中的數(shù)據(jù)傳送到CCS 中，而且通過RTDX（實時數(shù)據(jù)交換技 術(shù)），可以在Matlab 和實時運(yùn)行的DSP 硬件之間建立連接，在它們之間實時傳送數(shù)據(jù)而不使正在DSP 上 運(yùn)行的程序停止，這項功能可以在程序運(yùn)行期間為我們提供一個觀察DSP 實時運(yùn)行狀態(tài)的窗口，大大簡化 了調(diào)試工作。Matlab、CCSlink、CCS 和硬件目標(biāo)DSP 的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 CCSlink 把Matlab 和CCS 及目標(biāo)DSP 連接在一起

我們可以在Matlab 中修改一個參數(shù)或變量，并把修改值傳遞給正在運(yùn)行的 DSP，從而可以實時地調(diào) 整或改變處理算法，并通過觀察探針點數(shù)據(jù)來調(diào)試程序。最后把 CCSlink 和Embedded Target for C2000 DSP Platform. 相結(jié)合，可以直接由調(diào)試好的Simulink 模型生成DSP2812 的可執(zhí)行代碼，并加載 到DSP 目標(biāo)板中，這樣我們就可以在同一的Matlab 環(huán)境中完成系統(tǒng)算法的設(shè)計、仿真、調(diào)試、測試，并 最終在DSP2812 目標(biāo)板上運(yùn)行。

4. 系統(tǒng)調(diào)試

實驗臺硬件結(jié)構(gòu)［14-15］如圖4 所示，變頻器系統(tǒng)用DSP 作為運(yùn)算控制單元，用IPM 模塊作為功率電 路交換單元，用霍爾電流傳感器檢測電機(jī)三相電的兩相電流。DSP 控制器在對檢測到的電流信號進(jìn)行相應(yīng) 的運(yùn)算處理之后，將PI 控制算法產(chǎn)生的三對SVPWM 脈沖信號，作用于IPM 來驅(qū)動異步電機(jī)，通過改變 輸出脈沖信號的頻率來實現(xiàn)異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。

圖4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

電機(jī)參數(shù)為：Rs=10Ω;Rr=5.6Ω;Ls =0.3119H;Lr=0.3119H;Lm = 0.297H;P = 4;J=0.001kg.m2

通過DSP 與CCS 的連接，可在Matlab 環(huán)境下對目標(biāo)DSP 的存儲器數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，再利用Matlab 強(qiáng)大的分析和可視化工具對其數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，也可以實現(xiàn)對工程的編譯、鏈接、加載、運(yùn)行，設(shè)置斷點和 探點，最后將滿意的調(diào)試結(jié)果生成的目標(biāo)代碼直接加載到實驗臺上。轉(zhuǎn)速輸入設(shè)定為一階躍函數(shù)，電機(jī)帶 額定負(fù)載運(yùn)行，獲得的動態(tài)響應(yīng)曲線如下圖所示。

圖5 實驗結(jié)果

由圖5 可見，d-q 軸電壓電流及磁通角響應(yīng)曲線平穩(wěn)，在動態(tài)過程中，在Matlab 環(huán)境下［10］的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和實際DSP 實驗平臺下［11-13］的轉(zhuǎn)矩曲線基本一致，系統(tǒng)響應(yīng)快，且超調(diào)量小，只需0.6S 即可 達(dá)到穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)如圖5（d）所示，系統(tǒng)在電機(jī)起動時有一定的波動，但是在PI 自適應(yīng)控 制器的作用下，只需0.5S 系統(tǒng)就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，證明速度觀測器下的轉(zhuǎn)速能夠較好地跟蹤實際 速度變化，在穩(wěn)態(tài)時實際速度等于仿真速度值。

5. 結(jié)論

本文提出的Matlab 下的DSP 集成設(shè)計方法確實可行，實驗證明：在此環(huán)境下可以完成對DSP 目標(biāo) 板的操作，包括訪問DSP 存儲器和寄存器等，又可利用Matlab 的強(qiáng)大工具對DSP 存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行 分析和可視化處理，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試工作量小，易于實現(xiàn)。同時，具有一定自適應(yīng)能力的PI 速度 估算方法能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速做出準(zhǔn)確的估計，實驗結(jié)果驗證了此系統(tǒng)設(shè)計方案的正確性和可行性。