異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)

張小冰

(浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息傳媒與自動化學(xué)院，浙江 溫州 325000)

0 引言

異步感應(yīng)電機(jī)，又可稱為感應(yīng)電動機(jī)，是一種把轉(zhuǎn)子放在旋轉(zhuǎn)的磁場內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)磁場作用之下，得到轉(zhuǎn)動力矩，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的機(jī)器[1]。目前既實用，性能又高的異步感應(yīng)電機(jī)基本為進(jìn)口的，不僅成本高，而且嚴(yán)重限制了我國感應(yīng)電機(jī)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展[2]。為了提高我國異步感應(yīng)電機(jī)的性能，對異步感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，在降低成本的同時，能夠使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。為了降低人工消耗，一些專家和學(xué)者已針對異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行大量研究，并已有很大成果。但這些傳統(tǒng)異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)的性能并不完善，在進(jìn)行轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制的過程中，難以減少噪聲干擾，對電壓電流的采集精度不高，對電路故障檢測也不夠準(zhǔn)確[4]。為了解決以上問題，提出設(shè)計一種異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)。通過分析異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制原理，對功率主電路、功率驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路等硬件部分進(jìn)行優(yōu)化，接入高精度采樣電阻，對電壓信號進(jìn)行RC濾波，選用FAULT管腳電平完成軟件部分的主程序和中斷服務(wù)程序，從而實現(xiàn)異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)噪聲控制效果好、電流電壓采用精度高、故障檢測精度高。

1 異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制原理

本文針對異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的自適應(yīng)要求，將DSP-LF2407當(dāng)作主控制芯片，通過模糊PID法，實現(xiàn)異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計。其中DSP-LF2407為AD公司設(shè)計的一款，專門給電機(jī)控制優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計提供的定點(diǎn)芯片[5]，非常適合于異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)控制系統(tǒng)中。該芯片將很多外圍電路集成在一起，性價比很高[6]。

在該系統(tǒng)中，DSP主要負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，和傳送控制命令。其中，DSP根據(jù)對單元捕捉轉(zhuǎn)子處，傳感器脈沖信號的捕獲，并且傳送至MOSFET管中的IR2130中，利用MOSFET管功率，來實現(xiàn)電路整體的驅(qū)動，使異步感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，對轉(zhuǎn)速環(huán)以及電流環(huán)雙閉環(huán)進(jìn)行控制，進(jìn)而高效提高異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制準(zhǔn)確性。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件總體框架

對于三相異步感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)的研究，文章提出了，基于DSP的異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為：

該系統(tǒng)的硬件電路中包含：主電路、轉(zhuǎn)子處的檢測電路、和電源電壓的檢測電路以及電流電壓采集調(diào)理電路等。系統(tǒng)通過PWM方式對異步感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行控制，該種PWM技術(shù)可方便調(diào)壓，且功率開關(guān)的損耗低[6-7]。驅(qū)動的部分通過IR2130，來對三相逆變橋進(jìn)行高效地驅(qū)動。位置信號利用異步感應(yīng)電機(jī)自身的元件給出，且根據(jù)DSP的CAP端以獲取定位，通過捕獲操作，得到三相轉(zhuǎn)子的具體位置，完成異步感應(yīng)電機(jī)的換相。利用對PWM波寬度的調(diào)整，控制逆變器的三相輸出電壓平均值，完成對異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)控制。該系統(tǒng)選取DSP的FAULT管腳，將其當(dāng)作系統(tǒng)的保護(hù)信號的輸入端，系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，那么FAULT管腳的電平被拉低，同時PWM所有輸出的引腳，均設(shè)置成高阻的狀態(tài)，中斷保護(hù)會被生成。

接下來分別對系統(tǒng)硬件中的各個模塊進(jìn)行介紹。

2.2 功率主電路設(shè)計

系統(tǒng)的功率主電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功率主電路

異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，功率主電路通過三相逆變橋的形式完成，其原理如圖2所示。主功率開關(guān)器件是MOSFET，型號是IRF3205，導(dǎo)通阻抗極低，值為8 mΩ，柵極輸入的阻抗比較高，所需驅(qū)動電流比較小噪聲低。圖中A、B、C三相，均分別與異步感應(yīng)電機(jī)定子中，電樞三相線圈進(jìn)行連接。且RS1為相電流采集精度非常高的電阻，電機(jī)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或者短路時，該電阻可迸發(fā)大電流，并停止功率管的工作，防止情況的繼續(xù)惡化。

2.3 功率驅(qū)動電路設(shè)計

該電路通過集成的驅(qū)動芯片IR2130完成?？杀憷赝瓿扇嗄孀儤?，及其他的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路中，六個MOSFET、IGBT功率管的驅(qū)動[8]，IR2130的特點(diǎn)有：開關(guān)控制的頻率，能夠達(dá)到20 kHz以上；具有六路集成驅(qū)動的特點(diǎn)。驅(qū)動電路如圖3所示。另外，IR2130芯片共同傳輸出，六路高頻率的脈沖信號，用來控制，六大MOSFET管的開通、關(guān)斷順序，用來驅(qū)動三相異步感應(yīng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。經(jīng)輸出HO1、HO2及HO3的脈沖，并輸出LO1、LO2及LO3的脈沖，對三相逆變橋下橋中，各部分進(jìn)行單通與關(guān)斷，以B相橋臂為例：

圖3 系統(tǒng)的功率驅(qū)動電路

IR2130芯片內(nèi)部，存在硬件保護(hù)電路，可完成過電流、欠電壓的保護(hù)。經(jīng)IR2130中的8腳FAULT，把低電平信號實施輸出操作，且有報警的信號。假如IR2130的工作源欠電壓，那么檢測器會快速地進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，使被驅(qū)動的功率管截止，且為全部截止，這能使電路獲得保護(hù)，同時由元件8腳，來得到故障信號檢測的結(jié)果。一般來說，把FAULT信號接至DSP內(nèi)，當(dāng)電路發(fā)生故障時，F(xiàn)AULT會拉低驅(qū)動保護(hù)的輸入引腳，置定關(guān)斷EN單元全部PWM的輸出通道，并且將其設(shè)為高阻態(tài)，由此實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的保護(hù)。

2.4 轉(zhuǎn)子位置檢測電路設(shè)計

該單元作用為：對異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置進(jìn)行實時地檢測，其中的DSP捕獲單元，用來對轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，以及對速度的調(diào)節(jié)。電路圖如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子位置的檢測電路

圖4中，HALL1、HALL2，以及HALL3為轉(zhuǎn)子位置上的，三相霍爾信號。其中的6N137用于單通道的，高速光耦合器中，假如某相是高電平，則證明二極管1N4148將會截止，信號會利用RC濾波電路，并將高頻干擾信號進(jìn)行濾除，并通過7414觸發(fā)器傳輸高電平，能夠?qū)⑿盘柕男辈ú糠窒?，并把信號變換成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，由此DSP不會單元以及I/O口，就可精確檢測出信號。

2.5 相電流采樣電路設(shè)計

在異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，采集電流信號的方式為：于功率主電路內(nèi)，快速接入高精度的，電流采樣電阻[9]。這個電阻能直接地把功率主電路內(nèi)，電流的信號轉(zhuǎn)變換成電壓的信號，并將其傳送至異步感應(yīng)電機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)中的控制電路。但是為了精準(zhǔn)地檢測采集電流，就需在電流的采樣電路構(gòu)建中，采用到線性的隔離元件。另外，相電流的采集電路構(gòu)建中，根據(jù)的是HCNR200線性的光耦芯片，該芯片的特點(diǎn)為：成比例變化，而且線性程度可高至0.01%。圖5為相電流的采樣電路。

圖5 相電流的采樣電路

在上述主電路中采樣電阻，開始流入電流之后，得到的電壓值需要經(jīng)縮放，才可以輸入至A/D單元，因此需要利用放大器，將信號進(jìn)行放大，經(jīng)放大的信號，能夠根據(jù)HCNR200線性的光耦芯片，來完成線性隔離，利于DSP中A/D口實現(xiàn)采樣。圖5中，C62負(fù)責(zé)電路的信息反饋，也會濾除電路中的毛刺信號，進(jìn)而防止HCNR200內(nèi)的關(guān)鍵部位受到?jīng)_擊。其中HCNR200為電流驅(qū)動型的器件，則為了保障驅(qū)動的性能，系統(tǒng)電路選擇雙極性運(yùn)算放大器。

2.6 電源電壓檢測電路設(shè)計

電源電壓檢測的電路的主要作用是：對主電路中的電壓信號值，進(jìn)行實時檢測，避免由于電源的電壓太高，進(jìn)而將電機(jī)損壞。對信號實施電阻分壓，以及RC濾波，送至HCNR200實現(xiàn)信號的隔離，進(jìn)而把信號傳輸至DSP的A/D口，由此實現(xiàn)電壓的高精度采樣。

2.7 電壓電流信號調(diào)理電路設(shè)計

電流電壓調(diào)理電路主要作用就是調(diào)節(jié)電路，使電路穩(wěn)定性增強(qiáng)。電壓信號的調(diào)理電路內(nèi)部的HCNR200與其在系統(tǒng)相電流的采樣電路中的作用相似。

綜上所述，對各電路的設(shè)計方案進(jìn)行完善，完成對異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。為系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計提供最優(yōu)的硬件環(huán)境。

3 軟件設(shè)計

在異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，主要就是對主程序、中斷的服務(wù)程序等模塊進(jìn)行設(shè)計。

主程序單元的功能為：系統(tǒng)的初始化，對轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置進(jìn)行捕獲，啟動異步感應(yīng)電機(jī)，設(shè)置中斷的邏輯，以便對中斷程序進(jìn)行循環(huán)調(diào)用。具體流程為初始化DSP，構(gòu)建程序變量開辟相應(yīng)的內(nèi)存地址，把捕獲的CAP1-CAP3口設(shè)置為I/O功能，此時電機(jī)開始啟動，將CAP1-CAP3口恢復(fù)到捕捉功能，進(jìn)入循環(huán)等待，實現(xiàn)主程序中中斷邏輯的設(shè)置。

當(dāng)電機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)過了額定的角度，其位置的信號會產(chǎn)生跳變的現(xiàn)象，采用恢復(fù)CAP1-CAP3端口[10]，以改變PWM輸出的狀態(tài)，驅(qū)動電機(jī)可持續(xù)地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將感應(yīng)電機(jī)啟動，此時使能定時器已開啟，通過讀取讀取CAP1-CAP3口霍爾信號，判斷電機(jī)位置所在區(qū)域，依據(jù)區(qū)域輸出相應(yīng)的PWM波，設(shè)置CAP1-CAP3捕獲端口。

電機(jī)在旋轉(zhuǎn)的過程中，各傳感器均可經(jīng)過變換得到方波信號，三個位置的傳感器，輸出的六種狀態(tài)，剛好與功率管六次換相的過程對應(yīng)。為了獲得六個換相時間，還需要知道為哪一相，就需要將CAP1-CAP3端口的功能修改成I/O查詢口，對三個信號的電平狀態(tài)進(jìn)行檢測，就能夠明確是哪個位置的傳感器接口觸發(fā)了中斷，捕獲中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。

圖6 捕獲中斷服務(wù)程序流程圖

速度環(huán)通過模糊PID進(jìn)行控制。且速度環(huán)計數(shù)器，到達(dá)預(yù)定值的時候，將會進(jìn)入至異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序中。通過位置信號，對異步感應(yīng)電機(jī)速度的反饋值計算結(jié)果，和給定轉(zhuǎn)速值比較，并獲得速度的誤差量以及誤差變化率，模糊化速度誤差量與誤差變化率，再利用查詢模糊控制的規(guī)則表，獲得Δkp、Δki與Δkd，將獲得數(shù)據(jù)加上個周期的kp、ki與kd，進(jìn)而更新kp、ki與kd值，最后把kp、ki與kd帶至增量式的數(shù)據(jù)PID中進(jìn)行計算，獲得新電流參考值。

電流的調(diào)節(jié)器是利用PI調(diào)節(jié)完成的[11]。把采樣獲得的目前的電流值、參考電流值實施比較，通過電流環(huán)，來調(diào)整DSP輸出PWM占空比，進(jìn)而實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)，完成對電機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)控制。則電流PI調(diào)節(jié)計算公式為：

PWM(k)=PWM(K-1)+kpc+kicIe(k)

(1)

其中:PWM(k)代表第k次的電流環(huán)，進(jìn)行PI調(diào)節(jié)之后，輸出的PWM波占空比，kpc、kic代表電流環(huán)的比例系數(shù)、積分系數(shù)，Ie(k)代表第k次采樣后的電流誤差。

根據(jù)以上步驟，完成了異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證所設(shè)計的異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)的性能，實驗采用某公司比較知名的SZDSP-2型的教學(xué)實驗箱，示波器是TektronixTDS1002型的雙通道、數(shù)字模式存儲示波器，電機(jī)的平臺使用的是某公司的MPEC-1型的現(xiàn)代電力電子控制教學(xué)試驗平臺。DSP控制板利用XDS510通信器和電腦連接，完成程序加載和調(diào)試。根據(jù)文章中的軟硬件設(shè)計，進(jìn)行實驗。實驗結(jié)果及分析具體描述如下。

噪聲對異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)有較大的影響，噪聲控制效果的好壞是電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)性能是否優(yōu)良的關(guān)鍵因素。分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)對噪聲進(jìn)行控制，測得兩種不同系統(tǒng)噪聲控制效果對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種不同系統(tǒng)噪聲控制效果對比

觀察圖7(a)，圖7(b)可知，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對噪聲進(jìn)行控制，隨著采樣點(diǎn)數(shù)量的增加，噪聲信號點(diǎn)不斷增多，噪聲信號點(diǎn)的密度也不斷增大。在采樣數(shù)量為18、33、35時，均出現(xiàn)最大噪聲信號點(diǎn)為60dB，說明傳統(tǒng)系統(tǒng)受噪聲干擾十分頻繁。采用改進(jìn)系統(tǒng)對噪聲進(jìn)行控制，隨著采用點(diǎn)數(shù)量的增加，噪聲信號點(diǎn)保持平穩(wěn)變化，始終保持在20dB左右，且噪聲信號點(diǎn)的密度較為均衡。對比改進(jìn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的實驗結(jié)果，改進(jìn)系統(tǒng)的噪聲信號點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)系統(tǒng)的噪聲信號點(diǎn)，充分說明改進(jìn)系統(tǒng)對噪聲的控制效果更好，驗證了改進(jìn)系統(tǒng)的可行性。

為了驗證所設(shè)計的異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)的性能，分別對傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)的電壓電流采集精度進(jìn)行測試，電流與電壓的采集原理及過程完全相同，因此實驗以電流的采集為例，測得兩種不同系統(tǒng)的電流采集對比結(jié)果如圖8所示，圖中的白色圓圈為可以采集的電流數(shù)據(jù)，黑色矩形框代表采集到電流數(shù)據(jù)。

圖8 兩種不同系統(tǒng)電流數(shù)據(jù)采集對比結(jié)果

觀察圖8可知，圖8(a)為實際電路數(shù)據(jù)分不情況，實驗部分共存在9個可采集的電流數(shù)據(jù)。圖8(b)為傳統(tǒng)系統(tǒng)電流數(shù)據(jù)采集的結(jié)果，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)只采集到4個電流數(shù)據(jù)，計算出電流采集精度約為45%。圖8(c)為改進(jìn)系統(tǒng)電流數(shù)據(jù)采集的結(jié)果，采用改進(jìn)系統(tǒng)采集到全部的電流數(shù)據(jù)，計算其電流采集精度約為100%。對比改進(jìn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的實驗結(jié)果，改進(jìn)系統(tǒng)的電流數(shù)據(jù)采集量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)系統(tǒng)電流數(shù)據(jù)采集量，可得改進(jìn)系統(tǒng)的電流采集精度更高。同理驗證兩種系統(tǒng)電壓采集精度可得，改進(jìn)系統(tǒng)的電壓采集精度更高。綜合電流電壓采集實驗結(jié)果，充分說明改進(jìn)系統(tǒng)的電壓電流采集精度高，驗證了改進(jìn)系統(tǒng)的實用性。

電路故障檢測精度是驗證所設(shè)計的異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。分別對傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)的電路故障檢測精度進(jìn)行測試，測得兩種不同系統(tǒng)電路故障檢測對比結(jié)果如圖9所示，圖中各條線組成的幾何圖形為模擬電路網(wǎng)，黑色實心圓點(diǎn)代表電路中的故障點(diǎn)，虛線空心圓圈代表系統(tǒng)檢測出的電路故障點(diǎn)。

圖9 兩種不同系統(tǒng)故障檢測對比結(jié)果

由圖9可知，圖9(a)為實際電路故障點(diǎn)分布情況，在實際電路中共有4個故障點(diǎn)。圖9(b)為采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對電路故障進(jìn)行檢測的結(jié)果，傳統(tǒng)系統(tǒng)只檢測出2個故障點(diǎn)，且這兩個故障點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，對于距離較近的故障點(diǎn)并沒有檢測出來。圖9(c)為采用改進(jìn)系統(tǒng)對電路故障進(jìn)行檢測的結(jié)果，4個故

障點(diǎn)全部被檢測到。對比改進(jìn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)電路故障檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)系統(tǒng)的電路故障檢測精度更高，且對密集度高的電路故障點(diǎn)也能進(jìn)行精確檢測。

分析上述實驗結(jié)果，改進(jìn)系統(tǒng)分別在電路噪聲控制、電壓電流采集及電路故障檢測的準(zhǔn)確性方面，均優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。實驗結(jié)果充分表明，所設(shè)計的異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)對噪聲控制效果好，電壓電流采集和電路故障檢測精度高。

5 結(jié)束語

所設(shè)計的異步感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)雖具有噪聲控制效果好、電壓電流采集精度高、電路故障檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在轉(zhuǎn)矩的脈動問題，該問題會對異步感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的整體性能造成影響，當(dāng)前技術(shù)無法在根本上消除轉(zhuǎn)矩的脈動。在未來，將朝著消除轉(zhuǎn)矩脈動的研究方向邁進(jìn)，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使異步感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)更加完善，為異步感應(yīng)電機(jī)行業(yè)未來的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

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