基于dsp的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

高明

[摘 要]隨著我國的科技發(fā)展水平在不斷地提高，人們對電機(jī)的控制需求也在不斷地提高。我國正在加強(qiáng)對電機(jī)控制技術(shù)的研究。為了提高變頻的動(dòng)靜結(jié)合，采用了SVPWM技術(shù)進(jìn)行控制，從而達(dá)到了電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化，解決了電機(jī)原有的不足。

[關(guān)鍵詞]三相交流電機(jī)；變頻調(diào)速；優(yōu)化；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TV91；TV544 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）02-0027-01

三相交流電機(jī)系統(tǒng)的控制是集中了多門學(xué)科的結(jié)果，是目前應(yīng)用最為廣泛的電機(jī)，然而，隨著日前需求量的增大以及科技發(fā)展的速度，變頻調(diào)速成為了最有前途的調(diào)速方式來提高電機(jī)的功能。本文通過對PWM技術(shù)進(jìn)行介紹，當(dāng)然也介紹了SPWM以及SVPWM技術(shù)的控制，其次，還會介紹變頻調(diào)控系統(tǒng)的硬件軟件的設(shè)計(jì)，讓讀者更加了解其控制原理。

1 研究背景

在某些學(xué)校一直將電機(jī)作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容交給學(xué)生們當(dāng)作實(shí)驗(yàn)課，目的就是希望學(xué)生們更加的了解電機(jī)的結(jié)構(gòu)。本文的內(nèi)容闡述了電機(jī)控制的整個(gè)系統(tǒng)，并且將其整體流程展現(xiàn)出來，以方便讀者的理解。

我國使用電機(jī)的時(shí)間很久，從直流電機(jī)至交流電機(jī)是很大的進(jìn)步。這一進(jìn)步將直流電機(jī)存在不好修理等極大的問題解決了。然而，目前高性能的交流驅(qū)動(dòng)就是變頻驅(qū)動(dòng)。筆者本次將對變頻調(diào)速的控制原理進(jìn)行簡單的研究。

2 三相交流電機(jī)的介紹

三相交流電的使用原理就是通過改變交流電路的頻率變化，從而提高電機(jī)的速度，在提高了頻率的三相交流異步電機(jī)在很多方面都優(yōu)于直流電機(jī)，而且其系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性能都相比直流電機(jī)來講提高了不少，就此情況，國內(nèi)外有很多大學(xué)的專家都在積極研究。隨著科技的不斷發(fā)展， dsp的出現(xiàn)替代了模擬的集成電路，他的功能適合電機(jī)控制一些較為復(fù)雜的算法。對于目前的情況而言，可以通過電力電子元器件、動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的控制方法、以及計(jì)算機(jī)技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

3 變頻調(diào)速的 PWM 技術(shù)的原理介紹

PWM一直作為電機(jī)變頻調(diào)速的核心內(nèi)容，其被廣泛的運(yùn)用于變頻電機(jī)。通常情況下，我們所說的PWM技術(shù)就是通過控制全控型功率半導(dǎo)體器件的開和關(guān)，產(chǎn)生具有一定形狀的電壓脈沖序列，以此來實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制和消除諧波為目的的一門技術(shù)。這種PWM調(diào)制技術(shù)以高精度、高響應(yīng)、高穩(wěn)定性得到一致好評。

作為介紹，SPWM作為目前廣泛利用的PWM的一種，SPWM的波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值，從而實(shí)現(xiàn)提速。

而SVPWM主要是以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)三相對稱電動(dòng)機(jī)定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不同開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成PWM波，以所形成的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫰錅?zhǔn)確磁鏈圓。相比傳統(tǒng)的SPWM方法，SVPWM方法將逆變系統(tǒng)和異步電機(jī)看作一個(gè)整體來考慮，由于比較簡單，因此，其也比較實(shí)用，其地位也變得十分重要，需要受到重視。

4 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

相對來說，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)不是十分容易的，要通過合理的分工，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能達(dá)到最好的狀態(tài)。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)需要綜合多個(gè)學(xué)科的知識才能實(shí)現(xiàn)良好的發(fā)揮，由此可見，其設(shè)計(jì)是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。對于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)來講一定要十分重視，沒有一個(gè)系統(tǒng)會在漏洞百出的硬件設(shè)計(jì)上依舊能良好運(yùn)行的，也就是說硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)能夠良好運(yùn)行的保障。

4.1 簡要分析數(shù)字信號處理器

數(shù)字信號處理器具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，其通常都是實(shí)時(shí)的處理數(shù)據(jù)，一般不會允許延遲的情況出現(xiàn)，因此，其具有高精度、高準(zhǔn)確度以及高穩(wěn)定性和可靠性的優(yōu)點(diǎn)。DSP在其應(yīng)用的時(shí)候不僅保留了其自己系統(tǒng)的優(yōu)勢，還提高了其對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理能力，尤其是其乘法累加器結(jié)構(gòu)，極大的提高了其工作效率。

4.2 三相異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對于三相異步電機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)的設(shè)計(jì)涉及以下幾個(gè)方面：總體制定：通過整體控制系統(tǒng)的功能選擇；主電路的設(shè)計(jì)；確定各個(gè)元器件；制定算法；選擇芯片；確定系統(tǒng)硬件以及軟件的設(shè)計(jì)；以及考慮最后的實(shí)踐。如此全部完成就算是完成了三相異步電機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)的設(shè)計(jì)。

4.3 有關(guān)硬件電路的搭配

電路作為硬件質(zhì)量的保障，其所扮演的角色十分重要。電源干擾是其中重要的干擾之一，因此，關(guān)于電源電路的設(shè)計(jì)就更為重要，然而，控制系統(tǒng)的地線接法能夠抑制此干擾。除此之外，還要設(shè)置欠壓和過壓的保護(hù)電路以及過流保護(hù)電路等等，以免出現(xiàn)電壓過低、電壓過高或者電流過高的情況燒壞電路。

4.4 硬件設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

在硬件設(shè)計(jì)之中最大的麻煩就是電源的干擾問題，可以通過控制系統(tǒng)的地線接法來抑制此干擾，還可以通過信號處理電路進(jìn)行防御，為了提高其安全性以及穩(wěn)定性一定要做好此類抗干擾的問題。除了硬件本身的問題，在測量硬件的時(shí)候測量儀也可能會成為一種干擾，為了解決這個(gè)問題，一般情況之下會選擇在大地和示波器探頭之間接一個(gè)幾百以上皮法的大電容，這樣做的效果就是可以有效的減小其干擾力，有利于硬件更好的測試。

5 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 有關(guān)DSP 的介紹

DSP芯片在一般情況下適合電機(jī)的控制，因此，它被廣泛的運(yùn)用于交流電機(jī)數(shù)字控制的方面，其具有快速實(shí)時(shí)處理各種數(shù)字信號和控制其他動(dòng)作的特點(diǎn)。其主要的特點(diǎn)就是實(shí)時(shí)的效果明顯，具有高效性的優(yōu)勢，相關(guān)人士發(fā)揮了DSP對數(shù)字信號處理的高速運(yùn)行、以及其能夠同時(shí)進(jìn)行多個(gè)操作的優(yōu)點(diǎn)，提高了其運(yùn)用的范圍，使得其使用范圍不斷被擴(kuò)大。除此之外，它的使用價(jià)格也十分廉價(jià)，無需投入太多就可以發(fā)揮作用，經(jīng)過了不斷的創(chuàng)新之后，人們設(shè)計(jì)出了帶有乘法計(jì)算器的DSP芯片，不能不說這是一個(gè)十分優(yōu)良的處理器。

5.2 簡要分析程序流程

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件程序流程首先是進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化，其次依次進(jìn)入DSP各模塊時(shí)鐘的初始化，中斷模塊的初始化，速度、電流、磁鏈調(diào)節(jié)器參數(shù)的初始化，QEP模塊的初始化，PWM模塊的初始化，GPIO引腳的初始化，定時(shí)器寄存器的初始化，內(nèi)置AD模塊的初始化，按鍵和數(shù)碼管模塊的初始化，然后進(jìn)入空循環(huán)。其在進(jìn)入每個(gè)環(huán)節(jié)都在進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣和計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)其良好的運(yùn)行效果。

5.3 其他模塊設(shè)計(jì)簡述

除了以上的程序介紹，還有電流采集設(shè)計(jì)、速度采集以及串口設(shè)計(jì)等等。變頻處理是通過采集的電流數(shù)據(jù)以及速度數(shù)據(jù)來決定的，也就是說電流數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)是其變頻的基本組成。通過定時(shí)的測定和采集從而實(shí)現(xiàn)變頻的可能。然而，串口就是讓數(shù)據(jù)一個(gè)一個(gè)的按照順序傳送，其穩(wěn)定、安全，適合長距離的數(shù)據(jù)輸送，使得其被廣泛使用。通過串口通信可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的良好傳遞，方便彼此之間的數(shù)據(jù)交流。在此軟件之中其數(shù)據(jù)的傳輸方式是，先將其傳送給了DSP芯片，DSP隨之將其顯示在上機(jī)位上，從而達(dá)到了數(shù)據(jù)的利用。

總結(jié)

由以上可知，本文介紹了三相交流電機(jī)，還介紹了變頻的PWM技術(shù)和其中的SPWM和SVPWM的相關(guān)內(nèi)容，我們也知道了電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的硬件與軟件的設(shè)計(jì)簡要內(nèi)容。隨著我國的電機(jī)變頻技術(shù)正在不斷的發(fā)展與進(jìn)步，目前還比較先進(jìn)的電機(jī)變頻系統(tǒng)也會逐漸變得落后。同時(shí)，相關(guān)人士也在不斷的研究新的技術(shù)不僅是為了滿足現(xiàn)階段的要求，又是為了滿足未來的發(fā)展需求。希望我國的電機(jī)變頻系統(tǒng)能夠發(fā)展的越來越快。

參考文獻(xiàn)

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