基于ARM的交流異步電機(jī)控制與饋電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張斌斌，殳國(guó)華，丁君武

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以微處理器為核心的全數(shù)字化電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛采用。最早在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的是通用單片機(jī)，然而受到自身結(jié)構(gòu)的限制，處理速度都比較慢，難以滿足控制精度及性能的要求。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，簡(jiǎn)稱DSP)，其數(shù)據(jù)運(yùn)算速度快，并具有強(qiáng)大的I/O控制功能，使其成為電動(dòng)機(jī)控制中最常用的控制器。而近階段隨著(Advanced RISC Machines，簡(jiǎn)稱ARM)芯片的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，ARM處理器核因其卓越的性能和顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為高性能、低功耗、低成本嵌入式處理器核的代名詞。一些基于ARM核的微控制器都可支持DSP運(yùn)算并能夠達(dá)到更快的運(yùn)算速度，以其作為整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，能夠彌補(bǔ)單DSP芯片在控制方面的不足，節(jié)約成本并降低系統(tǒng)的復(fù)雜性［1-2］。

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM核微處理器的交流異步電機(jī)控制與饋電系統(tǒng)，其控制精度高、實(shí)時(shí)性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，并能夠?qū)㈦姍C(jī)再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量回饋至電網(wǎng)［3］，完成再生制動(dòng)能量的高效利用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體硬件框圖

圖1 給出了交流異步電動(dòng)機(jī)控制及饋電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，整個(gè)系統(tǒng)為交直交變壓變頻電路，由主回路、控制回路、逆變回路及信號(hào)采集電路幾部分組成。主要包括交流異步電動(dòng)機(jī)、基于ARM微控制器的運(yùn)算控制單元、基于(Intelligent Power Module，簡(jiǎn)稱IPM)智能功率模塊的主回路功率變換單元及逆變單元和反饋信號(hào)檢測(cè)單元組成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制電路

控制電路采用ST公司的STM32F407微控制器作為系統(tǒng)的核心。STM32F407系列是基于高性能的ARM?CortexTM-M4F的32位(Reduced Instruction Set Computer，簡(jiǎn)稱RISC)內(nèi)核，工作頻率高達(dá)168 MHz，支持所有ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型的單精度浮點(diǎn)單元。它還實(shí)現(xiàn)了一套完整的DSP指令和內(nèi)存保護(hù)單元，從而提高了應(yīng)用程序的安全性。其內(nèi)部含有1 M字節(jié)的FLASH閃存和高達(dá)192 KB的(Static Random Access Memory，簡(jiǎn)稱SRAM)，包括3個(gè)高精度12位(Analog to Digital Converter，簡(jiǎn)稱ADC)和兩個(gè)用于電機(jī)控制的(Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱PWM)定時(shí)器，特別適用于本系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制，其豐富的系統(tǒng)資源也為以后的功能擴(kuò)展提供了空間。

ARM微控制器的主要任務(wù)是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)IPM逆變單元的PWM信號(hào)。通過(guò)按鍵輸入獲得系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定信息及指令，并實(shí)時(shí)檢測(cè)三相異步電機(jī)的直流母線電壓、相電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)，最后通過(guò)(Flexible Static Memory Controller，簡(jiǎn)稱FSMC)接口將相關(guān)信息顯示于(Liquid Crystal Display，簡(jiǎn)稱LCD)上。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制器也能立刻響應(yīng)進(jìn)行中斷保護(hù)。

2.2 功率變換電路

系統(tǒng)主電路采用的是交-直-交電壓源型變壓變頻器，整流單元采用不可控二極管整流橋，濾波環(huán)節(jié)采用了大容量電解電容和小容量薄膜電容濾除脈動(dòng)和干擾。

傳統(tǒng)的逆變電路是由六只全控型開(kāi)關(guān)器件(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，簡(jiǎn)稱MOSFET)組成的三相橋式電路，為了提高系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用三菱公司生產(chǎn)的IPM智能功率模塊PS21564作為逆變單元。PS21564內(nèi)部集成了六個(gè)高速低功耗的(Insulated Gate Bipolar Translator，簡(jiǎn)稱IGBT)管芯，最大耐壓600 V，最大電流15 A，最大開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)數(shù)百KHz，最小死區(qū)時(shí)間2 μs。以其作為系統(tǒng)逆變電路的功率開(kāi)關(guān)器件，兼有(Giant Transistor，簡(jiǎn)稱GTR)高電流、低飽和電壓和高耐壓以及MOSFET高輸入阻抗、高開(kāi)關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。IPM模塊內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)和保護(hù)電路，不僅大大減少了系統(tǒng)的體積，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其內(nèi)部的IGBT橋式拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 逆變電路的IGBT橋式拓?fù)?/p>

為了保護(hù)ARM控制電路盡量不受到主電路的影響，故將所有與ARM控制器相連的信號(hào)電路 都添加了光耦隔離電路。本設(shè)計(jì)選擇安捷倫公司專為IPM等功率器件設(shè)計(jì)的光電隔離接口芯片HCPL4504作為PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)隔離光耦，其響應(yīng)時(shí)間小于0.3 μs，內(nèi)部集成了高靈敏度光傳感器，極短的寄生延時(shí)確保了高速開(kāi)關(guān)死區(qū)時(shí)間的安全。光耦輸出端的信號(hào)再經(jīng)過(guò)六重施密特觸發(fā)器40106B整形濾波后輸入到IPM相應(yīng)信號(hào)端，其驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 IPM驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)變頻器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)減速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)超過(guò)給定頻率下的同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，造成轉(zhuǎn)子切割磁感線的方向反向，使電機(jī)工作于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，能量將從電機(jī)側(cè)回饋至直流側(cè)，其能量大小與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)速、電機(jī)參數(shù)等因素有關(guān)［4］。回饋能量將導(dǎo)致直流母線電壓上升，即泵升電壓。若電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間較短，或者長(zhǎng)時(shí)間工作在再生制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)時(shí)，泵升電壓過(guò)高將對(duì)變頻器造成損壞。

針對(duì)上述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)增加了一種并網(wǎng)逆變裝置，采用(Space Vector Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱 SVPWM)控制策略［5］。當(dāng)異步電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，逆變裝置開(kāi)關(guān)管均被封鎖，處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，回饋能量使直流母線電壓超過(guò)某一設(shè)定值VH時(shí)，逆變裝置開(kāi)始工作并從直流線路吸收電流，將能量回饋至電網(wǎng)，同時(shí)穩(wěn)定直流側(cè)電壓。當(dāng)直流母線電壓下降到另一設(shè)定值VL時(shí)，逆變器停止工作。

2.3 信號(hào)檢測(cè)電路

2.3.1 電流、電壓檢測(cè)單元

由于本控制系統(tǒng)中定子電流檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性是整個(gè)控制精度的關(guān)鍵，普通的電流傳感器難以滿足要求。所以選用LEM公司生產(chǎn)的霍爾電流傳感器LTS6-NP來(lái)檢測(cè)電機(jī)的動(dòng)態(tài)電流，其檢測(cè)精度高，相應(yīng)速度快，完全滿足本系統(tǒng)的需要。三相異步電機(jī)屬于三相平衡系統(tǒng)，故只需用霍爾電流傳感器測(cè)量定子兩相電流，便可知道第三相電流大小。

LTS6-NP自帶了上拉電阻，可以直接輸出電壓信號(hào)。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，霍爾傳感器輸出的是單極性的類正弦電壓信號(hào)，而STM32控制器的ADC模塊輸入的電壓信號(hào)范圍是0～3.3 V，故需加入電壓偏移和信號(hào)放大電路。采用運(yùn)放用作信號(hào)放大，并取參考電壓Vref作為電平偏移電壓，電流檢測(cè)信號(hào)處理電路如圖4所示。

圖4 相電流檢測(cè)信號(hào)處理電路

由圖4可以得出輸出信號(hào)Vout和輸入信號(hào)Vin的關(guān)系:

由上式可以看出Vref完成了輸入電壓的偏移，而通過(guò)調(diào)節(jié)R2和R1的比值即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，完成信號(hào)的放大。

直流母線電壓同樣采用LEM公司的霍爾電壓傳感器LV25-P進(jìn)行檢測(cè)，輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大和限幅電路輸入A/D接口。通過(guò)對(duì)直流母線電壓的精確檢測(cè)與控制可以確保IGBT單元的安全使用，并為并網(wǎng)逆變電路的啟用和關(guān)斷提供了觸發(fā)信號(hào)。

2.3.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元

由于本控制系統(tǒng)的控制算法需要轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào)參與計(jì)算，采用增量式編碼器ZSP3806-003G-2048BZ1-5L作為系統(tǒng)的速度傳感器，其檢測(cè)精度完全滿足調(diào)速系統(tǒng)的控制精度與穩(wěn)定性。該編碼器有A相、B相和Z相三路輸出。其中A相、B相相差90度，每轉(zhuǎn)一圈輸出2048個(gè)脈沖，主要用于轉(zhuǎn)速檢測(cè);Z相每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖，主要用于定位。將STM32控制器的高級(jí)定時(shí)器設(shè)置為編碼器接口模式，即可與傳感器輸出信號(hào)相連測(cè)量輸入脈沖數(shù)，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息。

3 控制策略

在電力電子器件和變頻技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，先進(jìn)的控制方法也在不斷推陳出新，目前應(yīng)用比較廣泛的是高性能的矢量控制［6-7］和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)［8］。本控制系統(tǒng)使用矢量控制方法，采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)的V/F變頻調(diào)速方法相比，控制精度高，動(dòng)態(tài)性能好。異步電機(jī)矢量控制基本結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 異步電機(jī)矢量控制基本結(jié)構(gòu)框圖

異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、高階的非線性系統(tǒng)，矢量控制的主要思想是通過(guò)坐標(biāo)變換將定子電流分解為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的勵(lì)磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist，并對(duì)這兩個(gè)分量分別進(jìn)行控制，從而可以使異步電機(jī)像直流電動(dòng)機(jī)一樣進(jìn)行控制。由電機(jī)的在同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子磁鏈ψr和電磁轉(zhuǎn)矩Te表達(dá)式為

由上式可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子磁鏈ψr僅由勵(lì)磁分量ism產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩Te正比于轉(zhuǎn)子磁鏈ψr和轉(zhuǎn)矩分量ist，由此實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的解耦。

在異步電機(jī)額定頻率及基頻以下時(shí)，通常采用恒磁通調(diào)速，勵(lì)磁電流ism保持不變，為額定值，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速;而在基頻以上采用弱磁調(diào)速，勵(lì)磁電流ism隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，屬于恒功率調(diào)速。該控制方法驅(qū)動(dòng)三相逆變器時(shí)使用了SVPWM方法［9］，可以控制三相電機(jī)的定子產(chǎn)生逼近理想磁通圓的實(shí)際磁通，提高了直流側(cè)電源電壓利用率，且計(jì)算簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)損耗小，實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便，正逐漸取代傳統(tǒng)的(Sinusoidal Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱SPWM)技術(shù)［10］。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、中斷服務(wù)程序及各個(gè)子程序模塊。

圖6 主循環(huán)狀態(tài)機(jī)

主程序?qū)Χ〞r(shí)器、ADC、按鍵與LCD接口等外設(shè)和各變量進(jìn)行初始化，設(shè)置相應(yīng)中斷后，便進(jìn)入一個(gè)主循環(huán)狀態(tài)機(jī)，完成系統(tǒng)的電機(jī)控制任務(wù)及故障信息的檢測(cè)。主程序的主循環(huán)狀態(tài)機(jī)如圖6所示。

中斷服務(wù)程序是系統(tǒng)的核心部分，主要完成電流、電壓及轉(zhuǎn)速檢測(cè)、矢量控制算法實(shí)現(xiàn)、SVPWM調(diào)制及故障中斷處理等。其中矢量控制算法中斷服務(wù)程序流程如圖7所示。

圖7 矢量控制算法中斷服務(wù)程序

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，制作了硬件實(shí)物并在一臺(tái)鼠籠式異步電機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，電機(jī)額定電壓220 V，額定電流 4.25 A，額定頻率150 Hz。系統(tǒng)控制參數(shù)及反饋相關(guān)信息可顯示于LCD屏上［11］，如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)LCD顯示

電機(jī)在基頻以上運(yùn)行經(jīng)轉(zhuǎn)換測(cè)得的勵(lì)磁電流ism隨定子頻率變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 定子勵(lì)磁電流波形圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的三相交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，充分利用了ARM微控制器的高速運(yùn)算能力及豐富的片上資源，并且采用了集成化的IPM模塊作為逆變單元，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。加入的再生制動(dòng)逆變單元也很好的抑制了直流側(cè)過(guò)高的母線電壓，解決了回饋能量的損耗問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的安全性和實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)控制精度高，實(shí)時(shí)性好，并且實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)的四象限運(yùn)行，節(jié)能效果明顯，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］楊旭強(qiáng)，吳紅星，金釗.基于ARM的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

［2］交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］張秋瑞，畢大強(qiáng)，葛寶明.地鐵再生制動(dòng)能量逆變回饋電網(wǎng)裝置的研究［J］.電力電子技術(shù)，2012，46(9):61-63.

［4］張承慧，杜春水，李珂.變頻驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)再生制動(dòng)及饋電技術(shù)［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2006，45(4):356-360.

［5］張敏，江博，楊磊，等.基于SVPWM的新型光伏并網(wǎng)逆變器的研究［J］.電氣技術(shù)，2010，11(9):36-39.

［6］孫鵬飛，馮曉云.基于DSP異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電力電子技術(shù)，2010，44(7):40-41.

［7］劉娟，胡澤，莊培.基于DSP的電動(dòng)車(chē)用感應(yīng)電機(jī)矢量控制研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13(18):5325-5328.

［8］王繼忠.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展［J］.微電機(jī)，2012，41(2):83-87.

［9］沈浙，喬鳴忠，張曉鋒，等.SVPWM異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究［J］.船電技術(shù)，2009，29(4):1-4.

［10］張大為，劉迪，高艷麗.SPWM變頻調(diào)速在交流異步電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用［J］.船電技術(shù)，2012，32(2):30-32.

［11］潘宗衢，趙益民，路宏敏.基于ARM的LCD圖像顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，33(7):126-127.