异步电机间接型矢量控制驱动程序（C语言）及有关问题讨论

mator

我现在在做异步电机的矢量控制。这是我用C语言编写的矢量控制驱动程序。运行起来，电机不能被软件来控制，转速飞快，电流超高。只能调节电压来控制。想向各位前辈们请教并讨论一下究竟是哪里出了问题。用的软件里有许多那个公司开发的程序，基本上都标了注释。如果有遗漏和表达不清楚的地方，请回贴指正，我会再详细写明。希望各位前辈讨论并帮忙指出程序的错误之处，谢谢各位。

mator

#include <mwio3.h>

/* AD的range設定 */
#define CH0_RANGE 400.0 /* CH0 range for vu */
#define CH1_RANGE 400.0 /* CH1 range for vw */
#define CH2_RANGE 50.0 /* CH2 range for iu */
#define CH3_RANGE 50.0 /* CH3 range for iw */
#define CH4_RANGE 400.0 /* CH4 range for E */
#define CH5_RANGE 50.0 /* CH5 range for Idc */
#define CH6_RANGE 10.0 /* CH6 range for CH6 */
#define CH7_RANGE 10.0 /* CH7 range for CH7 */

/* 数值设定 */
#define PI(n) 3.14159265358979 * n /* 圆周率*π */
#define BDN 0   /*  */
#define CH 0   /*  */
#define tr 0.084904545  /* L2/r2 转子时间常数 */
#define TM 200   /* 速度计算间隔[μs] */
#define FM 5000   /* 速度计算间隔[Hz] */
#define RESOLUTION 4000  /* encoder的P/R(1000) 4倍 */
#define r1 12.8   /* 等价电路常数　定子电阻r1　旋转后的值 */
#define r2 10.17   /* 等价电路常数　转子电阻r2 */
#define l1 0.033645354  /* 等价电路常数　定子电感　l1' */
#define l2 0.033645354  /* 等价电路常数  转子电感  l2' */
#define Lm 0.553222582  /* 等价电路常数　励磁电感  M' */
#define L1 0.863479227  /* 等价电路常数（2相机）　有效电感  L1 = l1' + 3/2 * M' */
#define L2 0.863479227  /* 等价电路常数（2相机）　有效电感  L2 = l2' + 3/2 * M' */
#define M 0.829833873  /* 等价电路常数（2相机）　 励磁电感  M  = 3/2 * M' */

/* AD变换读取用变量 */
float vu, vw;    /* 电压传感器变量 */
float iu, iv, iw;   /* 电流传感器变量 */
float E;    /* 直流电压变量 */
float Idc;    /* 直流电流变量 */
float CH6, CH7;   /* 未使用变量 */

/* 电压指令变量 */
float u, v, w;   /* 电压指令变量 */
float d, q, a, b;   /* 电压指令变量、dq, ab轴 */
float *pu, *pv, *pw, *pa, *pb; /* 电压指令变量、dq, ab軸指针 */
float umax, umin;   /* u相电压指令变量 最大值，最小值 */
float vmax, vmin;   /* v相电压指令变量 最大值，最小值 */
float wmax, wmin;   /* w相电压指令变量 最大值，最小值 */
float flux, torque;   /* 磁通指令，转矩指令 */
float K_torque;   /* 转矩指令系数 */
float K_d, K_q;   /* 电压指令系数 */
float K_v;    /* 电压指令系数 */
float K;

/* 电流反馈变量 */
float id, iq, ia, ib;   /* 电流反馈 */
float *pia, *pib, *pid, *piq;  /* 电流反馈指针 */
float id_ref, iq_ref;   /* 电流指令 */
float kp_i, ki_i, kd_i, t_i;  /* PID计算常数 */
mwPID *ppid_iu, *ppid_iw;  /* PID构造体的指针(iu, iw) */

/* PWM变量 */
float DeadT;    /* deadtime */
float Fc;    /* 载波频率 */
float Status;    /* 1:ON, 0:OFF */

/* 速度计算变量 */
volatile int counter, count, pin; /* 计算用 */
float cnt0, cntn;   /* 计数值 */
float counterS;   /* 旋转方向的调整 */
float dcnt;    /* 计数的增加 */
float dcntmax;   /* 计数增加的最大值 */
float rpm;    /* 速度[rpm] */
float Krpm;    /* 速度计算常数 */
float omega_r;   /* 转子速度 */
float Komega_r;   /* 转子角速度计算常数 */
float omega_ref;   /* 转速指令(rad/s)　根据rpm_ref计算 */
float rpm_ref;   /* 转数指令(rpm) */
float omega_limit;   /* 转数指令上限 */
float omega_min;   /* 转数指令下限 */

/* 角度计算变量 */
float omega_s;   /* 滑动频率 */
float omega_e;   /* 电源角频率 */
float theta;    /* 角度(dq转换) */

interrupt void z_int(void)   /* 中断处理 */
{
counter++;   /* Add variable 'counter' */
watch_data();   /* 波形观测函数 */
}

interrupt void carrier_int(void)   /* 中断处理 */
{
/* 0组 */
pev_ad_start(0, 0);    /* AD转换开始函数 */
while(pev_ad_in_st(0, 0));   /* AD转换器状态读取函数 */
pev_ad_in_grp(0, 0, &vu, &vw, &iu, &iw);   /* AD转换值输入函数 */

/* 1组 */
pev_ad_start(0, 1);   /* AD转换开始函数 */
while(pev_ad_in_st(0, 1));   /* AD转换器状态读取函数 */
pev_ad_in_grp(0, 1, &E, &Idc, &CH6, &CH7);   /* AD转换值输入函数 */

iu = iu + 0.24;  /* 电流误差调整 */
iw = iw + 0.08;  /* 电流误差调整 */
iv = -iu - iw;  /* iu + iw + iv = 0 */
mwPIDcal(ppid_iu, iu); /* PID计算(iu) */
mwPIDcal(ppid_iw, iw); /* PID计算(iw) */
uw2ab(iu, iw, pia, pib); /* 3相/2相坐标转换函数 */
ab2dq(ia, ib, theta, pid, piq); /* 旋转/静止坐标转换函数 */
omega_ref = rpm_ref / (PI(2) * 60); /* 速度指令转换(rpm → rad/s) */
if(omega_ref > omega_limit) {omega_ref = omega_limit;} /* 速度指令的上限与下限 */
if(omega_ref < omega_min)
{
  omega_ref = omega_ref - omega_min;
  if(omega_e < omega_min)
  {
   Status = 0.0;
   pev_inverter_stop_pwm(BDN, CH);  /* 3相PWM停止函数 */
  }
}
else { Status = 1.0; }
torque = K_torque * (omega_ref - omega_r); /* 转矩指令计算 */
if( torque > 0.5 ) {torque = 0.5;}  /* 转矩上限 */
id_ref = flux / M;    /* d轴电流指令值　id = φ2 / M */
iq_ref = (torque * L2) / (2 * M * flux); /* q轴电流指令值　iq = (τ * L2) / (极对数(2) * M * φ2) */
d = K * (K_d * (id_ref - id) + r1 * id - omega_e * l1 * iq);     /* d轴电压指令值 */
q = K * (K_q * (iq_ref - iq) + omega_e * l1 * id + r1 * iq + ((omega_e * M * M) / L2) * id); /* q轴电压指令值 */
dq2ab(d, q, theta, pa, pb); /* 静止/旋转坐标转换函数 */
ab2uvw(a, b, pu, pv, pw); /* 2相/3相坐标转换函数 */
if(u > umax) {u = umax;}
if(u < umin) {u = umin;}
if(v > vmax) {v = vmax;}
if(v < vmin) {v = vmin;}
if(w > wmax) {w = wmax;}
if(w < wmin) {w = wmin;}
pev_inverter_set_uvw(BDN, CH, u, v, w);   /* 3相PWM生成器指令输出函数 */
if(Status == 1.0) {pev_inverter_start_pwm(BDN, CH);} /* 3相PWM开始函数 */
watch_data();
}

interrupt void rpm_timer0(void)    /* 中断处理 */
{
cnt0 = cntn;
cntn = pev_abz_read(BDN); /* 计数器值读取函数 */
dcnt = cntn - cnt0;
if(dcnt > dcntmax) {dcnt = dcnt - RESOLUTION;}
else if(dcnt < -dcntmax) {dcnt = dcnt + RESOLUTION;}
if(dcnt <= 0.0) { dcnt = (-1.0) * dcnt;} /* 绝对值 */
rpm = Krpm * dcnt;
omega_r = Komega_r * dcnt;
omega_e = omega_r + (1.0 / tr) * (iq_ref / id_ref);
theta += TM * 0.000001 * omega_e; /* 积分器(θ = θ + Δt * wr)　Δt是采样间隔 */

if(theta > PI(2.0)) {theta -= PI(2.0);}
else if (theta < -PI(2.0)) {theta += PI(2.0);}
if(Status == 0.0) {theta = 0.0;}
watch_data();
}

void main(void)   /* 变量初始化 */
{
Fc = 5000.0;  /* 载波频率[Hz] */
DeadT = 3.5;  /* deadtime[μs] */
flux = 0.7735;
torque = 0.0;  /* 转矩初始值 */
kp_i = 1.0;  /* PID 比例系数 */
ki_i = 1.0;  /* PID 积分系数 */
kd_i = 0.0;  /* PID 微分系数 */
t_i = 1 / (2 * Fc); /* PID 低通滤波器时间常数 */
K_d = 0.2;
K_q = 0.2;
K_torque = 1.0;  /* 转矩指令系数 */
K = 0.04;
umax = vmax = wmax = 0.99;
umin = vmin = wmin = -0.99;
omega_limit = 52.36; /* 速度上限 */
omega_min = 0.0628; /* 速度下限 */
dcnt = 0.0;
dcntmax = RESOLUTION * 0.5;
Krpm = 60.0 * FM / RESOLUTION;
Komega_r = PI(2) * FM / RESOLUTION;
pu = &u;
pv = &v;
pw = &w;
pa = &a;
pb = &b;
pia = &ia;
pib = &ib;
pid = &id;
piq = &iq;

/* 初始条件 */
d = 0.0;
q = 0.0;
id_ref = 0.0;
iq_ref = 0.0;
omega_ref = 0.0;
rpm_ref = 0.0;
counter = 0.0;
cnt0 = cntn = 0.0;
pin = 0.0;
u = v = w = 0.0;
vu = vw = 0.0;
iu = 0.0;
iw = 0.0;
iv = 0.0;
CH6 = CH7 = 0.0;
omega_s = omega_e = omega_r = 0.0;
theta = 0.0;
rpm = 0.0;
mwPIDinit(ppid_iu, kp_i, ki_i, kd_i, t_i, 1/Fc, 0.0, 0.0); /* PID函数的初始化 iu */
mwPIDinit(ppid_iw, kp_i, ki_i, kd_i, t_i, 1/Fc, 0.0, 0.0); /* PID函数的初始化 iw */
/* 1:ON SW, 0:OFF SW */
while(rpm_ref == 0.0) {Status = 0; watch_data();}
int_disable();  /* CPU中断处理禁止函数 */

pev_init(BDN);  /* PEV板初始化 */
pev_inverter_init(BDN, CH, Fc, 1000.0*DeadT); /* PWM模式与载波频率的设定函数 */
pev_inverter_set_syncint(BDN, 1/Fc*4.0); /* 载波同期中断时间设定函数 */
pev_inverter_set_uvw(BDN, CH, 0, 0, 0);  /* 3相PWM生成器指令值输出函数（初始值） */
int5_init_vector(carrier_int);   /* 中断处理输入的中断处理函数指定函数 */
pev_inverter_enable_up_int5(BDN);  /* 载波同期中断信号输出开始函数 */
int5_enable_int();    /* 外部中断处理输入许可函数 */
int_enable();     /* CPU中断处理许可函数 */
int6_init_vector(z_int);   /* 中断处理输入的中断处理函数指定函数 */
pev_abz_set_mode(BDN, 0);   /* 计数器的初始化函数 */
/* 0:オープンコレクタ入力, 1:差動入力 */
pev_abz_enable_int6(BDN);   /* 计数器的Z中断处理许可函数 */
int6_enable_int();    /* 外部中断处理输入许可函数 */
wait(1000000.0/Fc);    /* 等待时间的设定[μs] */
Status = 1.0;
pev_inverter_start_pwm(BDN, CH);  /* 3相PWM开始 */

/* ADの初期化 */
pev_ad_set_range(0, 0, CH0_RANGE, CH1_RANGE, CH2_RANGE, CH3_RANGE); /* AD转换器的输入范围设定函数 组0 */
pev_ad_set_range(0, 1, CH4_RANGE, CH5_RANGE, CH6_RANGE, CH7_RANGE); /* AD转换器的输入范围设定函数 组1 */
timer0_init(TM);   /* 计时器的初始化 */
timer0_init_vector(rpm_timer0);  /* 计时器中断处理函数指定函数 */
timer0_start();    /* 计时器计算开始函数 */
timer0_enable_int();   /* 计时器中断处理许可函数 */
int_enable();    /* CPU中断处理许可函数 */
while(1)
{
  pin = pev_abz_in_pin(BDN); /* 计数器输出状态函数 */
  /* b0:A, b1:B, b2:Z */
  watch_data();
}
}

archdevil

看的晕了，建议你先调节电流环，调好了再调速度环。电流直接给定一个值去调试。

mator

回复 3# archdevil


    您能说具体一些嘛。比如说在这个程序里是哪个部分。电流环是电流反馈吗？

archdevil

id_ref = flux / M;    /* d轴电流指令值　id = φ2 / M */
iq_ref = (torque * L2) / (2 * M * flux); /* q轴电流指令值　iq = (τ * L2) / (极对数(2) * M * φ2) */
d = K * (K_d * (id_ref - id) + r1 * id - omega_e * l1 * iq);     /* d轴电压指令值 */
q = K * (K_q * (iq_ref - iq) + omega_e * l1 * id + r1 * iq + ((omega_e * M * M) / L2) * id); /* q轴电压指令值 */
dq2ab(d, q, theta, pa, pb); /* 静止/旋转坐标转换函数 */
ab2uvw(a, b, pu, pv, pw); /* 2相/3相坐标转换函数 */
先给定id iq为固定值，再固定给个旋转的角度，看转换后出来的三相电流给定对不对，反馈有没有跟随上。

mator

回复 5# archdevil

您的意思是说id_ref和iq_ref不是写出计算公式，而是直接代入值吗？

mator

回复 5# archdevil
id和iq用下面这两个式子求出的值。
id_ref = φ2 / M = 0.9322;
iq_ref = (τ*L2) / (p*M*φ2) = 0.9416;
旋转角度应该就是程序里的theta变量吧。我随便写了个值。
theta = 3;
我想请问，转换后出来的三相电流iu,iv,iw给定对不对，反馈有没有跟上，要去和哪个比较？

mator

vector_control

这是程序的控制流程图。

archdevil

旋转角度是个变化的值，范围0～360度的。角度不能给固定值，电流可以给固定值。这样转换后的三相给定是三个正弦波，且三相对称。如果电流环调的好，那么三相反馈电流能跟随三相给定电流。把电流环调好后，就可以调节速度环，也就是id iq是通过速度环算出来的，不用给固定值了。

archdevil

比如说角度可以每个循环加1，这样就相当于一个固定转速了。

mator

回复 9# archdevil


非常感谢，一下子明白了很多。   
但请问，三相反馈电流是PWM后得到的电流吗？给定电流又是哪里？

mator

archdevil

反馈电流是电机实际输出的电流，电流环输出占空比到电机驱动电机转，电机就会有实际电流输出。给定电流就是你自己固定给的id iq值。

mator

vector_control

回复 13# archdevil

那请问在这张图里能不能理解为，给定电流是id_ref和iq_ref,反馈电流是id和iq啊？

mator

回复 9# archdevil

我不知道我理解的给定电流和反馈电流对不对。在控制图里给定电流应该是id_ref和iq_ref,反馈电流应该是id和iq吧。结果，反馈电流好像没能跟上给定电流，在数据图中已经竞标出。请问这是怎么个情况啊？哪里出现问题了呢？三条正弦波没有出来，是不是PWM出了问题？可是看程序没有觉得哪儿出毛病啊。

archdevil

你说的对，反馈电流就是id iq，至于为什么没输出三相正弦，就要查下了，有可能是pwm有问题。可以把id_ref和iq_ref给一个固定值，然后theta给一个固定值，把电流环的积分I去掉只留下P，就能算出三相IU IV IW在此theta角度下的值，看是否和软件算出的值一致，不一致则说明程序有问题。如果一致，再把theta角固定累加，到360度后重新从0开始累加，，就可以输出三相电流给定的正弦波形。

archdevil

有matlab模型吗？方便的话可以传给我一份：archdevilcs@hotmail.com  谢谢。

mator

回复 16# archdevil


    太谢谢了。第一次实际编程序做这些，被这么一说就明白了很多，非常感谢。
  您上次说的角度不能给固定值，电流可以给固定值。这里的角度指的不是theta,是flux吗？

  还想请问，我的dq给定电压是这么计算的，请问这样算对不对呢。还有K_d，K_q，K这三个系数应该设为多少呢。我看过相关的一些书籍，这点儿没太弄明白。
  d = K * (K_d * (id_ref - id) + r1 * id - omega_e * l1 * iq);                        
   q = K * (K_q * (iq_ref - iq) + omega_e * l1 * id + r1 * iq + ((omega_e * M * M) / L2) * id);

archdevil

角度就是theta，flux是异步电机磁链，矢量控制时是个固定的值。flux不变的，就等于是Id_ref值不变。K_d，K_q就是pid调节的P值，外面就不需要再乘K了。参数是具体实际应用中调节出来的，没有规定值。

mator

回复 19# archdevil


    theta和flux搞糊涂了，不好意思。谢谢您，我再试试看。