基于DSP三相異步電動機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)構(gòu)建

陳炳文，林若波，黃錦鈿

（揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 揭陽 522000）

汽車電子

基于DSP三相異步電動機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)構(gòu)建

陳炳文，林若波，黃錦鈿

（揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 揭陽 522000）

針對異步電動機(jī)的矢量控制原理和SVPWM技術(shù)，以16位DSP芯片TMS320F2812為核心，構(gòu)建了基于異步電動機(jī)矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，描述了各硬件功能單元的組成結(jié)構(gòu)和設(shè)計，運(yùn)用異步電動機(jī)的矢量控制，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

異步電動機(jī)；DSP；矢量控制；變頻調(diào)速

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.034

CLC NO.: U463 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)11-92-03

隨著微處理技術(shù)和電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展，矢量控制技術(shù)以其控制精度高，低頻特性好，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)電控制技術(shù)中受到推廣。三相異步電動機(jī)的參數(shù)系統(tǒng)包括：變量多、耦合強(qiáng)及變化的非線性，可以選擇轉(zhuǎn)子磁通作為參考坐標(biāo)，運(yùn)用數(shù)學(xué)中的坐標(biāo)變換原理，可將電機(jī)中的定子電流分為兩個分量來控制：即勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量。

在電機(jī)的矢量控制技術(shù)中，可運(yùn)用SVPWM調(diào)制方法，將逆變器和三相電機(jī)組成一個系統(tǒng)，通過TMS320F2812電機(jī)專用控制芯片控制，設(shè)計出三相異步電動機(jī)的矢量控制系統(tǒng)方案，通過相關(guān)數(shù)據(jù)的測試及運(yùn)行情況，證明方案的可行性。

1、異步電動機(jī)矢量控制方法

1.1運(yùn)用數(shù)學(xué)模型建立矢量，實(shí)現(xiàn)矢量的控制

在矢量控制中，運(yùn)用電機(jī)中的解耦控制理論基礎(chǔ)，建立坐標(biāo)系，運(yùn)用正交方法，將磁場分量id、轉(zhuǎn)矩分量iq從三相異步電動中的定子電流中分解出來，可得到轉(zhuǎn)矩：

從上式中可見，在三相異步電動機(jī)的矢量控制過程中，完全可用id、iq來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)定子電流的控制，具體的解耦過程可由變換坐標(biāo)的方法來分析。

在矢量變換坐標(biāo)系中，ia、 ib、 ic是分別從三相電機(jī)定子電流中分解出來的三個矢量，運(yùn)用磁場的等效原理，將之轉(zhuǎn)換為兩個正交分量id、iq，并得到其轉(zhuǎn)換矩陣的表達(dá)式VR為：

其反變換矩陣VR-1：

從上式中可以看出，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的兩個正交分量id、 iq能從靜止坐標(biāo)系中的三相電流ia、ib、ic實(shí)現(xiàn)等效變換，并且id和iq是互相解耦的，從而實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)的解耦控制。

在新的d-q-o的坐標(biāo)系中，可得到三相異步電動機(jī)的狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)矩表示式。

若在新的d-q-o的坐標(biāo)系中，兩組繞組互為正交，其中一組用來等效三相電機(jī)的定子繞組，另一組用來等效三相轉(zhuǎn)子繞組。

定子兩相正交繞組的軸線位置為d1-q1，轉(zhuǎn)子兩相正交繞組的軸線位置為d2-q2；且在空間位置上，d1-q1與d2-q2始終重合。

在d-q-o旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，電機(jī)的磁鏈、電機(jī)的電壓、電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可分別表示為：

在d-q-o旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，要求以定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈為變量來確定電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的，其狀態(tài)方程可表示為：

相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

如果在一定情況下，能夠同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q-o與轉(zhuǎn)子磁鏈，把d軸定位在轉(zhuǎn)子磁鏈上，則可把坐標(biāo)系d-q進(jìn)行轉(zhuǎn)化，變?yōu)镸-T轉(zhuǎn)子磁鏈坐標(biāo)系，于是，在新的M-T坐標(biāo)系中，電機(jī)磁鏈及轉(zhuǎn)矩的方程可表示為：

式中：

由此可知，要實(shí)現(xiàn)磁場電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量兩者的解耦，必需選擇好磁鏈的空間矢量方向，作為M軸方向，并且使其幅值不變，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子電流it1控制T。

1.2建立矢量控制系統(tǒng)

根據(jù)電機(jī)的控制理論，建立矢量控制系統(tǒng)，其控制過程為：勵磁電流給定值---電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋與給定轉(zhuǎn)速比較--轉(zhuǎn)矩信號輸出--三相電流坐標(biāo)變換--解耦。

經(jīng)解耦后的勵磁電流與實(shí)際勵磁電流，送到pi調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)矩信號給定值與實(shí)際轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行比較，進(jìn)行變換后，得到Ua和Uβ的兩相矢量調(diào)制信號，運(yùn)用SVPWM技術(shù)的算法，得出PWM脈沖調(diào)制信號，用以驅(qū)動控制逆變器的功率開關(guān)器件，完成了異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。

圖1　

1.3SVPWM的工作原理

電壓空間矢量PWM技術(shù)是電機(jī)磁鏈圓形軌跡與SPWM技術(shù)直接結(jié)合，直接從電動機(jī)角度出發(fā)，以電動機(jī)磁鏈圓形軌跡控制為目的，該方法不僅在控制上與SPWM的效果相同，可操作性強(qiáng)，效果明顯。

SVPWM調(diào)制方法是利用交替使用不同的電壓空間矢量， 并由兩個零矢量和六個基本電壓矢量合成實(shí)現(xiàn)的，參考矢量合成規(guī)則是：由當(dāng)前參考矢量所在扇區(qū)的兩個電壓矢量分別作用一定時間合成所得。在參考矢量的旋轉(zhuǎn)頻率補(bǔ)償上，可在設(shè)計時插入零矢量。

2、矢量控制系統(tǒng)硬件的組成

矢量控制系統(tǒng)可由三個部分組成：系統(tǒng)控制與運(yùn)算模塊、功率變換模塊、檢測采樣模塊。

采用TI公司的電機(jī)專用的控制與運(yùn)算模塊：16位DSP控制芯片TMS320F2812為核心，用以實(shí)現(xiàn)采樣調(diào)理、矢量控制及SVPWM調(diào)制算法等。計算出三相電機(jī)的轉(zhuǎn)速、定子的各相電流和磁場的相對位置，再通過矢量控制算法，得到模塊的電壓空間矢量PW信號，這樣的信號經(jīng)功率進(jìn)行放大后，經(jīng)過驅(qū)動IGBT開關(guān)器件處理，同時在采樣過程中加入軟件濾波和信號采樣錯誤處理。此外，在該控制系統(tǒng)中增加輔助電路：隔離開關(guān)電源、PWM驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器以及霍爾電流傳感器等，設(shè)置開關(guān)電源，為整個控制電路提供多路隔離電源，矢量控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

功率變換模塊完成功率的變換任務(wù)，并由不可控整流電路、中間直流電容濾波器和IGBT模塊封裝逆變器等構(gòu)成。

檢測采樣模塊則由三相電機(jī)中的電流采樣和電壓采樣，送調(diào)理電路進(jìn)行比較，完成信號的校正工作。

圖2　控制系統(tǒng)總體框圖

3、矢量變換控制系統(tǒng)軟件組成

圖3　系統(tǒng)主要程序控制圖

控制系統(tǒng)軟件主要分為兩部分：一是控制系統(tǒng)主程序，包括系統(tǒng)初始化、定時器初始化、定時器下溢中斷與CPU中斷、其它系統(tǒng)模塊參數(shù)初始化等；二是中斷子程序，包括ADC模塊、CLARKE/PARK變換模塊、Id/Iq與速度PID模塊、PARK逆變模塊、SVPWM模塊、速度計算模塊、電機(jī)電流模型計算模塊等。整個系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4、系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

在軟硬件設(shè)計后，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)裝置，對矢量控制及SVPWM系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過系統(tǒng)調(diào)試對上述矢量控制算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

系統(tǒng)測試參數(shù)如下：電機(jī)為4極三相異步電機(jī)，額定參數(shù)值為：PN=5kW，UN=220V，IN=7.5A，f=50 Hz，n=1500 r ／min。

IGBT的開關(guān)頻率為1.2kHz，死區(qū)為5.4μs。當(dāng)給定轉(zhuǎn)速為0.9倍的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速時，設(shè)置開關(guān)頻率為1 .2kHz，小負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行。 將DSP的PWM1輸出引腳外接一個RC低通濾波器，圖4顯示出觀察到的SVPWM控制信號及逆變器輸出線電壓、相電流波形。相電流幾乎為正弦波，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性。表明控制策略達(dá)到了理想的效果。

圖4　實(shí)驗(yàn)波形

以TI公司的電機(jī)控制專用DSP芯片TMS320F2812為基礎(chǔ)，利用DSP芯片的運(yùn)算能力和快速處理能力，采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向控制和SVPWM調(diào)制技術(shù)，構(gòu)建了一種異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)的調(diào)試，結(jié)果表明了該控制算法的正確性和有效性，對三相交流異步電動機(jī)的研究有一定的實(shí)用價值。

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Three-phase Asynchronous Motor Vector Transformation Control System Builts Based on DSP

Chen Bingwen, Lin Ruobo, Huang Jintian
( Department of mechanical and electrical engineering, Jieyang vocational and technical college, Guangdong Jieyang 522000 )

In view of the asynchronous motor vector control principle and SVPWM technology, with 16 bits DSP chip TMS320F2812 as the core, the variable frequency speed regulation system based on asynchronous motor vector control is built. It describes the structure and design of each function of the hardware unit using asynchronous motor vector control and frequency control of motor speed.

Asynchronous Motor; DSP; Vector Control; Frequency Control of Motor Speed

U463

A

1671-7988(2016)11-92-03

陳炳文(1969-)，男，廣東揭陽人，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化控制技術(shù)。

揭陽市科技計劃項(xiàng)目（基于DSP的異步電動機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)研究，項(xiàng)目編號201408）。