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現代交流傳動系統中，隨著矢量控制、直接轉矩控制等控制方法的出現和應用，使交流傳動系統的性能有了明顯的改善，矢量控制技術作為交流調速的首選方案之一，近年來得到不斷的完善和改進。由于矢量控制策略較復雜，由模擬或模擬數字混合的實現方案存在電路復雜、一致性差、零漂等問題，因此應用高性能的數字信號處理器組成數字化矢量控制系統是目前熱點研究方向。TMS320F2812是一款專為電機控制而設計的最新的32位定點DSP芯片，由于它具有成本低、功耗小、數據處理能力強、程序存儲量大、運算速度快等特點，且與現有的24x／240x系列DSP控制芯片代碼兼容，因此成為現代交流調速控制系統的首選芯片。本文首先建立了按轉子磁場定向的異步電機矢量控制系統的模型，并利用TMS320LF2812DSP為核心控制芯片設計了一套矢量變頻調速系統，構建了該系統的實驗平臺，給出了系統的硬件和軟件組成方案，并進行了實驗，給出了實驗結果，實驗結果表明了整個控制方案的可行性及系統的穩定性。 1 系統的數學模型及控制原理 1．1 交流異步電動機數學模型 為了分析方便，先對三相異步電機做如下理想化假定：1)、電機定轉子三相繞組完全對稱；2)、定轉子表面光滑，無齒槽效應，定轉子每相氣隙磁動勢在空間呈正弦分布；3)、磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計。 在以上條件下，經過從靜止到旋轉坐標系的變換，得到轉子磁場定向控制方程式如下： 其中： 為漏磁系數，τr為轉子時間常數，Rs、Rr為電機定轉子電阻；Ls、Lr、Lm分別為定轉子自感和互感；p是微分算子；Usd、Usq是定子電壓在dq軸上的分量；isd、isq是定子電流在dq軸上的分量；ψsd、ψsq是定子磁鏈在dq軸上的分量。 1．2 交流異步電動機轉子磁場控制原理 圖1是異步電機轉子磁場定向控制原理框圖。利用空間矢量分析法，采用磁場定向將定子電流進行CLARK變換和PARK變換(矢量變換)，得到在dq坐標系下的勵磁反饋電流isd和轉矩反饋電流isq，與給定勵磁電流isdref和轉矩電流isqref比較，再經過PARK逆變換輸出在αβ坐標下的電壓，用來決定空間矢量的PWM波形輸出；速度反饋一方面用于與給定速度比較產生isqref，另一方面進入電流模型決定磁鏈的位置，并用于PARK和CLARK逆變換。通過采樣電機三相電流，經過坐標變換轉換到轉子的同步坐標下，再經過電流環PI調節出適當的電壓矢量，經過空間矢量發生器后去控制三相逆變器。這里在進行坐標變換時需要知道轉子軸的位置，即圖1中的角θ，它可根據(3)、(4)式通過定子電流矢量和電機轉子時間常數來獲得這一角度。 2 系統的組成及硬件和軟件設計 2．1 系統的硬件構成： 圖2是由TMS320F2812作為控制芯片的電機矢量控制系統硬件結構框圖，整個系統由DSP作為主要控制元件的控制電路、用增量式光電編碼器、霍爾傳感器等組成的信號檢測電路、驅動隔離和保護電路等幾大部分組成；系統主電路采用交一直一交電壓型變頻器，主電路分為不控整流和逆變兩部分，電感和電解電容構成低通濾波器對三相不控整流的輸出進行濾波，為后級的逆變環節提供穩定的直流母線電壓。濾波電感和濾波電容的值都取得較大以減小電壓紋波。逆變部分選用了三菱智能IPM模塊PM30CSJ060，該模塊包含了由六個IGBT、六個續流二極管、柵極驅動電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護電路。模塊的主電路共有5個端子，P和N為直流電源輸入正端和負端，U，V，W為三相逆變器輸出端�？刂撇糠职≒WM信號輸入，過流、欠壓、過壓等故障信號以及驅動電源等，其中DSP生成的PWM信號需通過光耦合器隔離后輸入。上臂三個單管分別使用三個獨立的電源進行控制，三個下管則共用一個電源，光耦輸入有驅動電流時，光耦隔離器件導通，這時IPM控制輸入為低電平，其控制的IGBT、導通，當光耦輸入無驅動電流或驅動電流不夠大時，光耦隔離器件不導通，這時IPM控制的輸入為高電平，其控制的IGBT不導通。Up、Vp、Wp是與變頻器直流輸入正端P相接的各開關管控制輸入端，Ufo，Vfo，Wfo是模塊內部各個開關管的保護輸出端，Un、Vn、Wn則是與變頻器直流輸入負端N相接的各管的控制輸入端，FO是它們共同的保護輸出端。PM30CSJ060的自保護電路中，任何一相保護電路動作，將產生一低電平，而且各相保護電路的故障信號(如過流、過壓、欠壓等)輸出相與，所得信號送入DSP的PDPINT中斷口(低電平有效)，當DSP收到低電平信號時，作出中斷處理，封鎖PWM輸出。 Vupl一Vupc，Vvpl一Vvpc，Vwpl—Vwpc，Vnl—Vnc所加的電壓范圍為13．5V～16．5V，本系統采用典型的電壓值15V；加在PN端子上的電壓范圍為0～380V。 2．2 TMS320F2812芯片簡介及由它組成的控制模塊 TMS320F2812是控制電路的核心，為一款最新的電機控制專用DSP芯片，它是TI公司在TMS320C2000平臺上使用32位內核的DSP，運行速度可達150MIPS，實時處理能力強，能應用于很多復雜的控制算法；高性能低功率，采用1．8V內核電壓和3．3V外圍接口電壓；片上有128kFlash和1 8k內部Saram，可外擴1M的統一編址存儲器，應用起來更加靈活方便、快速；兩個事件管理模塊為電機控制提供了良好的控制功能；另外還有16路12bitA／D可靈活設置采樣方式；擁有兩個SCI口和一個SPI口，增加了數據緩存能力，傳輸頻率可達MHz量級；串行通訊模塊還包括增強的eCAN總線和新增的McBSP，能滿足多種通訊的需要，這些可省去復雜的外圍電路，提高了系統的集成度和可靠性。 系統的電流檢測電路如圖3示，由于電機繞組是對稱的，因此只檢測兩相電流ia和ib，本系統是采用霍爾傳感器來檢測電機電流ia和ib的。圖3為ia相電流檢測電路，由圖可見，先將電流霍爾檢測到的電流ia經過信號比例放大，全波整流，輸出供TMS320F2812的A／D口的ADCINl(ib的測量送入ADCIN2)進行采樣，將模擬量轉換成數字量，然后進行相應處理。TMS320F2812的A／D模塊具有l 2位精度，這為提高系統的控制精度創造了條件，其電流采樣的分辨率達到1／290。 在保護部分中，雖然IPM模塊已經設有過壓、欠壓、過流、過熱等保護，但是為了提高系統的安全可靠性及更好的保護IGBT管，我們還設置一套快速而準確的保護環節以防止各種故障，本環節保護電路的故障信號均輸出相與，所得信號送入DSP的PDPINT中斷口，當該口收到的電平信號后，DSP將做出相應的中斷處理，立即封鎖PWM輸出及停止運行。 2．3 系統軟件設計 系統的軟件主要包括主程序與中斷服務子程序，主程序主要完成的功能是芯片的初始化、變量的定義以及初始化；各種特殊功能模塊的初始化，如通訊接口、輸入輸出口、時間管理器、AD轉換的初始化；系統的啟動、停機的控制等。中斷子程序的是整個控制的主要部分，主要采用了事件管理器的Tl下溢中斷，在每個中斷周期內，要完成各種采樣信號的AD轉換，電路的PI調節控制，逆變電路開關管的輸出占空比的在線實時計算，以及各種軟件的保護功能的實現。子程序包括：速度測量子程序，光電編碼脈沖計數子程序，模相電流檢測子程序，電流環和速度環的數字PI調節子程序，PARK變換和逆變換子程序，CLARKE變換子程序，空間矢量產生和PWM波形發生子程序等。圖4是速度PI調節程序流程圖，圖5是PWM定時中斷子程序流程圖。 3 實驗結果 根據上述對主電路，控制電路等各個部分設計，應用TMS320F2812為主控芯片搭建了實驗系統，本實驗采用鼠籠式異步電動機，其參數如下：額定轉速1440r／min，頻率50Hz，額定電壓：380V，額定電流：8．8A；異步電動機帶的是同軸的他勵直流發電機，其參數如下：額定轉速1450r／min，額定電壓：230V，額定勵磁電壓：220V，額定勵磁電流：0．79A。SVPWM的開關頻率設為10kHz，死區時間不小于2．5μs。電流環的參數整定為：kp=4．5，ki=12，轉速環的參數整定為：kp=60，ki=0．8，實驗波形采用數字示波器測量得到，電流波形每100mV代表電流值是1A，轉速波形每1V代表的轉速是400轉／分鐘。 圖6是空載啟動時定子電流和轉速曲線的波形(圖中：定子電流：橫軸：250ms／格，縱軸：2A／格；轉速：橫軸：250ms／格，縱軸：400轉／分／格)，啟動時間大約需1．25秒鐘，啟動電流比穩態時大2倍。 圖7是直流發電機帶63Ω的電阻負載時(異步電動機帶的負載功率是1．2kW左右)啟動過程的電流和轉速波形(定子電流：橫軸：250ms／格，縱軸：5A／格；轉速：橫軸：250ms／格，縱軸：400轉／分／格)，在帶負載的情況下，電機的啟動時間也是1．25秒鐘，啟動過程中啟動電流比穩態時的電流值稍大但小于是2倍，說明隨著負載功率的加大，啟動電流和穩態電流越接近。 4 結論 矢量控制系統具有高的動靜態性能，但其控制的實時運算量大，運用DSP芯片作為主控芯片可有效地解決實際矢量控制實現時運算量大而引起的實時性問題，而TMS320F2812作為一種新型DSP芯片，在電機控制領域有著優異的性能，獲得了越來越多的應用。本文以TMS320F2812和PM30CSJ060為核心組成的矢量控制變頻調速系統，系統硬件結構簡單，實驗表明系統穩定可靠，故障保護快，動態性能好，控制精度高，是一種理想的矢量控制實現方案。 |
