基于IRMCF341的無位置傳感器異步電機控制系統的研究

項 劍，張浩然

（浙江師范大學 數理與信息工程學院，浙江 金華 321004）

引言

異步電機相對于永磁同步電機具有機械堅固，制造簡單，成本低，轉動慣量較小，可靠性高，容易做到高轉速、大容量等諸多優點，近年來在國防、農業生產和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應用，對相應的電機控制器件的需求也與日俱增。

控制異步電機最常用的算法，是基于上世紀70年代初德國學者提出的感應電動機矢量控制思想的算法，在該算法中，除了要進行多次坐標變換與反變換外，還要進行電流以及速度的閉環控制，算法實現比較復雜而且實時性要求比較高，傳統的工程應用中一般采用 DSP技術以軟件的方式實現，這種方法的優點是比較靈活，但系統的開發周期比較長，開發人員一般要深入地了解諸多相關領域的知識（如：功率電子技術，電機特性及控制、軟件算法、通訊以及硬件集成等），而且由于算法占用的處理器時間比較多，在某些情況下甚至不得不采用雙DSP處理器，這就使得系統的整體性價比下降；另外，軟件方式的通用性也存在問題，不同廠家的產品甚至同一產家的不同系列的DSP指令系統都不一樣，這就使得用戶的代碼一般不可重用。這諸多的因素使得開發高性能的電機驅動系統成為一件復雜而且困難的事情，而節能的需要又迫使我們不得不進行相應的技術改進。

目前高性能電機驅動系統的發展趨勢之一是逐漸擺脫軟件的束縛，向純硬件或半硬半軟的方向發展，即用基于FPGA或ASIC的方式。在這種背景下，主要針對無傳感器定位控制的永磁同步電機和交流異步電機而設計的高性能集成芯片IRMCF341應運而生。IRMCK34x系列電機驅動IC就是美國國際整流器公司推出的基于純硬件控制的電機閉環控制ASIC。本文采用國際整流器公司（IR，International Rectifier）推出的IRMCF341電機控制芯片來實現電機的驅動，對異步電機控制系統進行了研究和開發。

1 無位置傳感器異步電機控制

無位置傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發展而來的，它的研究始于20 世紀80年代末。近年來，國內外的許多研究機構對異步電機的無位置傳感器控制技術進行了更為深入的研究。無位置傳感器異步電機控制的關鍵在于：如何根據測量電機電流或電壓信號得到轉子位置和轉速信號。目前無位置傳感器電機控制主要有以下幾種方法：磁鏈位置估計法、反電動勢法、模型參考位置估計法、基于狀態觀測器的位置估算、基于卡爾曼濾波的無傳感器方法。

本文采用的IRMCF341芯片是根據反電動勢估算轉子位置，轉子位置估算包含磁鏈觀測（flux estimator）和角度-頻率生成（Angle-Frequency generator）。電機轉子磁場產生的勵磁分量通過磁鏈觀測器計算。磁鏈觀測器的基本原理就是對電機的反電動勢電壓積分。角度-頻率生成器則是通過磁鏈輸入計算位置和頻率，最終得到轉子角度。其相應的結構原理框圖如圖1所示首先，IRMCF341從單電阻采樣上獲得直流母線電流信號，緊接著將該電流信號進行重構，得到U、V、W三相電流，然后經過Clark變換（3相到2相），電流解耦，矢量旋轉（正向和反向）等，最終得到空間矢量控制算法所需的量。由于此過程的操作IRMCF341是使用模塊化的MatLab/SimulinK環境下mdl文件來實現，因此我們所要完成的是對這一過程中涉及的參數進行設置即可，這一機制也極大方便了用戶的開發。

圖1

2 IRMCF341芯片功能簡介

IRMCF300系列產品是國際整流器公司推出的集成電路器件，主要針對應用于電機控制的逆變器的單芯片解決方案。該系列包括 IRMCF312, IRMCF311,IRMCF343, IRMCF341和IRMCF371。IRMCF341芯片具有一大特點：在一塊芯片上集成了兩個內核，分別是用于無位置傳感器電機控制的MCE（電機運動控制引擎）核和高速8位增強型微處理器8051核。其原理框圖如圖2所示。

圖2

電機控制引擎是硬件模塊的集合——這些模塊是完成電機高性能無傳感器正弦波控制所必須的。電機控制引擎由電機接口模塊（Motion peripherals）和控制模塊（Control Blocks）組成。電機接口模塊是用于處理模擬和數字信號，以及與外部的接口——IRMCF341器件外部。除了控制電機運動的 MCE核之外，IRMCF341還具有一個增強型的8051核。IRMCF341 8051微處理器其指令設置和基本操作與標準的因特爾8051處理器一致，而且還增加了許多外設和專用功能。

3 系統構成和控制策略

3.1 系統的硬件實現

電機控制系統的結構如圖3所示。整個系統采用交-直-交變壓變頻電路。主電路由整流模塊、逆變模塊、驅動電路、電壓電流檢測電路及其他外圍電路組成。控制電路以IRMCF341芯片為核心，配合外圍電路構成無位置傳感器異步電機控制電路。在該系統中，控制核心IRMCF341通過A/D口接受來自單電阻電流采樣到的電流信息，此電流經 RC電路轉換成適合的電壓信號輸給IRMCF341的A/D口。IR公司的IRMCx300系列產品擁有至少一個通用模擬輸入和一個用于直流母線檢測的模擬輸入。每個通道的轉換時間最大為 2.0微秒。與傳統微處理器的A/D轉換不同，轉換過程、采樣/保持時序和多路轉換器由內部的硬件邏輯自動控制。這是由于事實上針對單電阻電流反饋有一路專門的模擬信號輸入，它要求特殊的采樣/保持時序。

圖3

3.2 系統的軟件實現

由于運動控制算法的圖形化，使軟件編程更易于操作，使用 MCE編譯器，可以使設計人員利用MATLAB’s Simulink圖形用戶接口方便地實現一個設計。電機控制模塊由國際整流器公司以Simulink庫的方式提供，他們描述了IRMCF341的可用功能。

MCE開發環境包含下面幾個部分：

(1)圖形化的 Simulink控制模塊庫，用于設計一個電機控制系統。

(2)MCE編譯器。用于分析Simulink設計，并生成相應的IRMCx31x MCE處理器的可執行文件。

(3)MCEDesigner，為IRMCx3xx提供圖形化的用戶接口，以便下載 MCE執行文件，控制 MCE操作，分析系統功能和特性。

MCEDesigner是支持IRMCF341在線仿真軟件，通過該軟件，可以直接對電機進行直觀化的操作，包括程序的初始化、保護電路的自檢、整個系統參數配置、正反轉設定子程序、判斷電機起動和停止、運行時升降速等。

MCE的設計層次格式如圖4所示。

圖4

3.3 系統矢量控制方法的實現

本文采用的是轉子磁場定向的矢量控制算法，該算法已包含在 MCE庫內，即定子繞組在α～β坐標系的空間矢量定義為：

對于三相平衡系統，零序電流分量為零，因此可得

可以得到由靜止坐標到旋轉坐標的變換（Park變換）方程

由旋轉坐標到靜止坐標的變換（Park逆變換）方程

4 試驗結果

本試驗在 750W 無刷異步電機上實現，輸入電壓380V～400V三相交流電，額定電流2.1A，驅動芯片采用 IR2233，逆變電路 IGBT采用西門康SK15DGDL126ET，板上弱電電壓由380V交流電整流后經開關電源提供。

圖5、圖 6、圖 7是現場測試采集波形，由MCEDesigner提供的示波器功能采集。圖5是采集反饋電流后進行重構的V相、W相波形，由圖中可看出其非常近似正弦波，這是整套算法的第一步，也是關鍵一步，只有做好這一步才能保證無位置傳感器電機控制的精確性。圖6是設定速度與電機實際速度波形，從圖中可以看出，電機波形一開始有一定的上沖（這是由于啟動階段輸入較大的電流，更改比例積分值可將這個過沖緩解）經過一個短暫的時間，速度穩定在設定值。圖7是不斷改變設定速度值與電機實際跟蹤的波形，可以看出，當設定速度值發生改變的時，電機能夠馬上作出反應，改變當前值以達到設定值。

圖5

5 結語

本文采用了IR公司的雙核芯片IRMCF341與西門康公司的 IGBT組成的控制系統作為硬件基礎，在只采樣負母線電流的基礎上實現了異步電機無位置傳感器的控制。此方法簡化了電機控制過程，大大縮短了開發周期，為節約開發成本，并為最終設計實際應用產品提供了條件。

圖6

圖7

[1]李永東, 等. 交流電機數字控制系統[M]. 北京：機械工業出版社, 2002.

[2]馮垛生,曾岳南. 無位置傳感器矢量控制原理與實踐[M]. 北京: 機械工業出版社, 1997.

[3]宋萍，沈傳文. 基于無位置傳感器的永磁電動機在變頻空調中應用的研究進展[J]. 暖通空調,2005.

[4]周立功. 增強型80C51單片機速成與實戰[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2003.