高壓交流電機(jī)控制中DSP技術(shù)的應(yīng)用

劉志安

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，在電機(jī)控制系統(tǒng)中添加了DSP技術(shù)，將其稱為自動(dòng)化控制技術(shù)。DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)能夠采用計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)的方式輸出信號(hào)命令，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電機(jī)操作。研究了DSP技術(shù)，并探討了其在電機(jī)控制中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：交流電機(jī)；電機(jī)控制；DSP技術(shù)；信號(hào)處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TM34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.141

1 DSP簡(jiǎn)述

DSP中文名為數(shù)字信號(hào)處理，是Digital Signal Processing的縮寫(xiě)。在電機(jī)控制中，DSP通常是以數(shù)字信號(hào)處理芯片的形式應(yīng)用的，而數(shù)字信號(hào)處理是近幾年才發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科，尤其是計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，使 DSP被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)處理采用的是提取信息點(diǎn)的方式。在模擬信號(hào)中，可以直接提取現(xiàn)實(shí)信息，而在數(shù)字信號(hào)處理中，是通過(guò)一些特殊的數(shù)學(xué)處理，提取現(xiàn)實(shí)中的信號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)，這樣獲取的信息量雖然比較小，但是，得到信息的效果并不受影響。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于承載的信息量較小，傳輸?shù)男示偷玫搅撕艽蟮奶嵘?，而這種傳輸效率的提升正符合現(xiàn)在無(wú)線發(fā)展的需要。

在電機(jī)控制領(lǐng)域，TI公司推出2000系列的電機(jī)控制DSP。TMS320F2812屬于最新的高端產(chǎn)品，適合應(yīng)用于工業(yè)控制、機(jī)床控制等高精度生產(chǎn)中。目前，2000系列芯片在電氣傳動(dòng)中的應(yīng)用主要是以TMS320LF240X為主，應(yīng)用TMS320F（C）28X的比較少。28X系列的DSP與24X系列的DSP相比，具有更多的外圍控制接口和更豐富的電機(jī)控制外設(shè)電路、更高的主頻，指令時(shí)間僅為6.67 ns，流水線采樣最高速率為60 ns，12位A/D轉(zhuǎn)換通道16個(gè)，PWM輸出道12個(gè)。資源足夠同時(shí)控制2臺(tái)三相電機(jī)，大大降低了控制系統(tǒng)的價(jià)格，縮小了其體積，提高了其可靠性，以便其可以在高度集成的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高性能電機(jī)控制。

2 基于DSP的電機(jī)控制方式

2.1 單DSP系統(tǒng)

目前，利用DSP實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法的應(yīng)用有很多，比如無(wú)速度傳感器的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。它是采用基于DSP的矢量控制的方法來(lái)控制交流異步電機(jī)。其原理是，利用坐標(biāo)變換將電機(jī)的三相坐標(biāo)等效為兩相系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的旋轉(zhuǎn)變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕，進(jìn)而達(dá)到分別控制交流電機(jī)磁鏈和電流的目的。系統(tǒng)充分利用了DSP的高速運(yùn)算能力和豐富的外設(shè)資源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

2.2 雙DSP系統(tǒng)

雙PWM控制系統(tǒng)分別采用PWM控制整流和逆變器，但是，電機(jī)采用的是恒壓頻比控制，可以對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn)。其中，一個(gè)PWM控制系統(tǒng)用于控制整流逆變器，另一個(gè)采用直接轉(zhuǎn)矩的方法控制電機(jī)。這樣，系統(tǒng)將有更快的響應(yīng)速度和更高的精度。二者之間可以用SCI通訊端口連接起來(lái)，既減小了諧波污染，又提高了變頻器的控制性能。

2.3 DSP與PC組合系統(tǒng)

DSP作為系統(tǒng)快速處理的執(zhí)行者，以盡量快的速度完成算法的實(shí)現(xiàn)。它是由PC、高性能DSP、64 K字的程序存儲(chǔ)器和64 K字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成，采用共享存儲(chǔ)器的方式構(gòu)成PC-DSP多處理器系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅提供了一個(gè)完整的硬件環(huán)境，實(shí)時(shí)運(yùn)行1個(gè)真正的數(shù)字控制，而且還實(shí)現(xiàn)了各種先進(jìn)的控制規(guī)律，比如在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，由于系統(tǒng)具有高速數(shù)字控制能力，通過(guò)S域的變換，模擬控制器就能在其上實(shí)現(xiàn)相關(guān)的應(yīng)用、重構(gòu)和評(píng)價(jià)。

3 交流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法

3.1 PI控制

PI控制器以其簡(jiǎn)單、有效、實(shí)用的特性被廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)控制系統(tǒng)中。交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)器均使用PI控制器。但是，交流電機(jī)是一個(gè)強(qiáng)耦合的非線性對(duì)象，并且其應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，常常有各種干擾，而電機(jī)參數(shù)也會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生變化。因此，在交流電調(diào)速過(guò)程中，由于PI控制器自身的特點(diǎn)和存在的不足，比如PI 控制器直接獲取目標(biāo)和實(shí)際之間存在一定的誤差，會(huì)因?yàn)槌跏伎刂屏μ蠖霈F(xiàn)超調(diào)的情況，無(wú)法有效解決控制過(guò)程中快速性和穩(wěn)定性之間的矛盾。如果PI參數(shù)一旦確定，就無(wú)法在線自調(diào)整，以適應(yīng)對(duì)象參數(shù)的變化，即同一PI參數(shù)一般難以適用于不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且PI控制器參數(shù)控制對(duì)象的范圍較小。所以，交流電機(jī)采用PI控制難以取得令人滿意的調(diào)速性能，尤其是在對(duì)控制精度要求比較高的場(chǎng)合。

3.2 模糊控制

模糊控制是利用模糊集合來(lái)刻畫(huà)人們?nèi)粘Ｋ褂酶拍钪械哪：裕箍刂破髂軌蚋颖普娴哪７?、熟練操作人員和專(zhuān)家的控制經(jīng)驗(yàn)和方法。模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。模糊控制的突出特點(diǎn)是無(wú)需建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時(shí)變和滯后問(wèn)題，以語(yǔ)言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，推理過(guò)程模仿人的思維過(guò)程，借鑒專(zhuān)家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)，處理復(fù)雜的控制問(wèn)題。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是依據(jù)人腦生物微觀結(jié)構(gòu)和功能，模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)而建立的模型。其主要功能是模擬人腦的思維方式工作，具有自學(xué)習(xí)、并行處理和自適應(yīng)等能力。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)秀的學(xué)習(xí)能力和非線性逼近能力，提出了許多基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方案，從而改善系統(tǒng)的收斂性、穩(wěn)定性和魯棒性等。在交流調(diào)速領(lǐng)域中，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題是其算法比較復(fù)雜，大多以仿真形式出現(xiàn)，但其控制效果還有待于在系統(tǒng)中進(jìn)一步檢驗(yàn)。

4 交流電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)

雖然交流電機(jī)控制已經(jīng)取得了很多成果，但是，仍不完善。它的發(fā)展方向主要有：①隨著電力電子、微電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)字處理器可以快速完成復(fù)雜運(yùn)算，一些復(fù)雜控制算法逐步被應(yīng)用，且有效提高了電機(jī)控制的性能。②為了使電機(jī)控制系統(tǒng)具有較高的動(dòng)靜態(tài)性能和魯棒性，應(yīng)該尋找新型的控制方法或改進(jìn)現(xiàn)有的控制方法。③每種電機(jī)控制方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，為了提高電機(jī)的控制性能，可以將兩種或多種控制方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將其集成為一體，克服單控制方法的缺陷。例如，可將模糊與PID、自適應(yīng)與變結(jié)構(gòu)、模糊與神經(jīng)、無(wú)源與自抗擾等控制結(jié)合起來(lái)。④電機(jī)控制系統(tǒng)需要速度信號(hào)，但是，安裝速度傳感器會(huì)引發(fā)很多問(wèn)題。通過(guò)容易測(cè)量的其他信號(hào)，可以間接估算出電機(jī)速度。目前，高性能的無(wú)速度傳感器控制方法也已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)。⑤電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子等參數(shù)會(huì)隨著工況和環(huán)境而變化，除了采用先進(jìn)的控制策略減小它們的變化對(duì)控制性能的影響外，還應(yīng)對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線精確辨識(shí)。目前，對(duì)電機(jī)參數(shù)的辨識(shí)，已經(jīng)提出了遞推最小二乘法、模型參考自適應(yīng)法、擴(kuò)展Kalman濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等多種辨識(shí)方法。⑥隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，電機(jī)控制產(chǎn)生的高次諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，降低電機(jī)的工作噪聲，增強(qiáng)其可靠性、安全性等。人們?cè)噲D采取合適的控制方式設(shè)計(jì)出綠色變頻調(diào)速器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)控制未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是將電機(jī)、功率變換器、控制系統(tǒng)集成在一起，使其成為結(jié)構(gòu)緊湊的機(jī)電一體化產(chǎn)品。目前，DSP器件具有較高的集成度，精簡(jiǎn)的指令系統(tǒng)、獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間等使其具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，采用基于DSP的電機(jī)專(zhuān)用集成電路可以降低對(duì)傳感器等外圍器件的要求。在高速控制中，使用DSP可以實(shí)現(xiàn)位檢測(cè)、邏輯運(yùn)算和高速數(shù)據(jù)傳輸。采用DPS器件代替單片機(jī)控制電機(jī)已經(jīng)成為了電機(jī)控制未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]程善美，蔡凱，龔博.DSP在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]葉成平，張興華.基于DSP的異步電動(dòng)機(jī)的恒壓頻比控制[J].中小型電機(jī)，2004（01）.

〔編輯：白潔〕