交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

魏成崗

摘要：電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種動(dòng)力設(shè)備，隨著精細(xì)化生產(chǎn)的逐漸推廣，各種生產(chǎn)場(chǎng)合對(duì)動(dòng)力供給的質(zhì)量提出了更高的要求，以往的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定性和精確性方面存在不足，必須加以改進(jìn)。本文將DSP技術(shù)同SPWM技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，共同完成了交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)速工作，并對(duì)相關(guān)的系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具有一定的參考價(jià)值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：交流電機(jī)；調(diào)速；DSP；SPWM

交流電機(jī)的使用非常廣泛，幾乎出現(xiàn)在我國(guó)的各種生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)，為我國(guó)生產(chǎn)力的發(fā)展提供了有力的支撐。對(duì)交流電機(jī)動(dòng)力供給模式的不斷改進(jìn)，對(duì)其控制策略的不斷優(yōu)化一直是電氣自動(dòng)化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，而其中影響最廣泛，效果最明顯的就是對(duì)交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)化的動(dòng)態(tài)控制。調(diào)速系統(tǒng)的存在，可節(jié)約大量的能源損耗，是交流電機(jī)以最合適的速率運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提高其靈活性，為不同的動(dòng)力需求場(chǎng)合提供最合適的動(dòng)力源。本文從交流電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)入手，研究其運(yùn)行的基本原理，并提出采用SPWM技術(shù)和DSP技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了切實(shí)可行的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作方案，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)的引入，有效的提高了交流電機(jī)調(diào)速工作的快捷性和準(zhǔn)確性，并可對(duì)能耗進(jìn)行合理的控制，降低了生產(chǎn)成本。

一、SPWM技術(shù)

SPWM指的是正弦脈寬調(diào)制波技術(shù)，其功能是將工業(yè)上常用的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)化為各種電氣設(shè)備更容易解析的脈沖波信號(hào)，從而在自動(dòng)化控制領(lǐng)域可以發(fā)揮重要的提高響應(yīng)速度的作用。其基本原理是采用一系列的等寬度的等腰三角形波與正弦波疊加對(duì)照參考，這兩種波形的交點(diǎn)即為控制點(diǎn)，從而形成開(kāi)關(guān)量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行導(dǎo)通與關(guān)閉的控制，當(dāng)正弦波取值大于三角波時(shí)取值，即控制激活逆變器的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)正弦波取值小于三角波時(shí)取值，則控制激活逆變器的開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，逆變器根據(jù)開(kāi)關(guān)間隔的選擇而產(chǎn)生等幅不等寬的脈沖波信號(hào)。

針對(duì)工業(yè)中對(duì)調(diào)速工作靈活性的需求，因此引入變頻技術(shù)。該技術(shù)的核心理念是通過(guò)頻帶的劃分而形成不同的控制區(qū)域，眾所周知，無(wú)論何種信號(hào)都具有頻率，控制指令信號(hào)也是一樣，通過(guò)事先規(guī)定好不同指令具有的特定的頻率，就可讓調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)收到信號(hào)的頻率處于哪一個(gè)頻帶來(lái)判斷控制臺(tái)發(fā)出的是何種指令，隨后對(duì)該指令作出相應(yīng)，轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的靈活調(diào)控。

二、交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理

轉(zhuǎn)速公式：（1）

式中各項(xiàng)因子如下：f：電源頻率；p：電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；s：轉(zhuǎn)差率。

通過(guò)上式中各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系可以得出以下結(jié)論，對(duì)交流電機(jī)的調(diào)速操作，可以通過(guò)改變上式中的三個(gè)參數(shù)來(lái)完成，以此對(duì)應(yīng)三種調(diào)速方法，分別為：

（一）變極調(diào)速，其原理是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組的極數(shù)來(lái)完成調(diào)速。這一方式最大的缺點(diǎn)是過(guò)于死板，其調(diào)速工作受到了極大的限制，只能在有限的幾個(gè)固定速率間切換，無(wú)法根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化靈活的調(diào)節(jié)電機(jī)速度，使用范圍相對(duì)較小。

（二）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，該方法最大的缺點(diǎn)是系統(tǒng)能耗高居不下，極大的提高了生產(chǎn)成本，浪費(fèi)了大量的能源。而不斷地減低能耗，提高系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，降低運(yùn)行成本已經(jīng)成為廣大工業(yè)用戶在選用控制系統(tǒng)時(shí)的首要目標(biāo)，因此該種方式將自身的最大優(yōu)勢(shì)給抵消了，故同樣沒(méi)有得到推廣，且該方案只能針對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速恒定的電機(jī)才有效。

（三）變頻調(diào)速，即本設(shè)計(jì)所采用的調(diào)速方式，此方式是通過(guò)調(diào)節(jié)供電電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，其效率和能耗明顯優(yōu)于上述兩種調(diào)速方式。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的主體結(jié)構(gòu)如下圖所示，主電路由整流濾波電路和SPWM逆變電路兩個(gè)部分組成。其工作原理是把輸入的單相交流電壓通過(guò)整流濾波電路變?yōu)槠交闹绷麟妷?，然后再通過(guò)逆變電路對(duì)該直流電壓進(jìn)行斬波，形成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電供電機(jī)使用。

（一）控制電路模塊

控制電路模塊采用TMS320LF2407A型號(hào)DSP。它的優(yōu)點(diǎn)在于可以將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)方案，提高了控制系統(tǒng)的運(yùn)算速度，主要包括：電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、接口JTAG電路、擴(kuò)展SRAM等。

（二）調(diào)速系統(tǒng)的軟件模塊

該系統(tǒng)平臺(tái)以功能為核心，將各個(gè)部件合理分割，成為不同的功能模塊，極大地降低了系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的耦合性，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。模塊之間通過(guò)接口編程來(lái)實(shí)現(xiàn)互通連接，大體上由兩部組成：上位機(jī)監(jiān)控程序和下位機(jī)控制程序。上位機(jī)面向用戶，向用戶提供簡(jiǎn)潔明了的人機(jī)操作界面，完成對(duì)用戶控制指令的讀取和解析，同樣實(shí)現(xiàn)對(duì)PC機(jī)串口的讀寫(xiě)操作；下位機(jī)負(fù)責(zé)串口通信、SPWM輸出、故障監(jiān)控等功能，以下為主要工作流程：

首先，主程序主要負(fù)責(zé)DSP初始化、串口接收發(fā)送、循環(huán)等待等。

1.串口通信中斷服務(wù)程序。串口通信中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)送的參數(shù)給定信息，然后將該信息送給DSP控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2. SPWM中斷服務(wù)程序。SPWM中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)根據(jù)給定頻率完成SPWM波形的產(chǎn)生，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其程序流程如圖2所示。

3.故障中斷服務(wù)程序

故障中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)接收PDPINT引腳的故障信號(hào)，當(dāng)接收到故障信號(hào)時(shí)立刻封鎖PWM輸出，斷開(kāi)主電路并顯示相應(yīng)的故障，避免系統(tǒng)和IPM功率模塊燒壞。

四、結(jié)束語(yǔ)

目前，在交流電機(jī)的變頻調(diào)速領(lǐng)域研究較多，已經(jīng)形成多個(gè)系列的控制策略，由于技術(shù)選型和被控對(duì)象的不同，這些控制策略也各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文選取DSP和SPWM技術(shù)為核心，最大限度的利用了DSP靈敏度高、可控性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，對(duì)交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。通過(guò)大量的實(shí)踐證明，本系統(tǒng)可明顯的提高交流電機(jī)的調(diào)速質(zhì)量，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)精度高，同時(shí)可有效的節(jié)約系統(tǒng)的能耗。相信隨著自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展與融合，未來(lái)會(huì)出現(xiàn)更加優(yōu)秀的控制方案，進(jìn)一步提高交流電機(jī)調(diào)速工作的質(zhì)量，為我國(guó)的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)做出更多的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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