【正文】 基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計(jì) 1 摘要 : 由于三相交流異步電動機(jī)具有優(yōu)良的性能，因此其在工業(yè)場合應(yīng)用廣泛。所討論的調(diào)速系統(tǒng)以三相交流 異步電動機(jī)為被控對象，以 TMS320LF2407A （ 16 位定點(diǎn) DSP 芯片）為處理器，采用智能功率模塊 PM10CSJ060,通過 SPWM 技術(shù)對交流電機(jī)進(jìn)行恒壓頻比控制，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于 DSP 的變頻調(diào)速（ Variable Velocity Variable Frequence，簡稱 VVVF）控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞 : 異步電動機(jī)；變頻調(diào)速；脈寬調(diào)制 / 數(shù)字信號處理器；恒壓頻比控制 基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計(jì) 2 引言 在工礦企業(yè)中，電動機(jī)是應(yīng)用面最廣、數(shù)量最多的電氣設(shè)備之一，因而電機(jī)的運(yùn)動和控制與企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和效益密切相關(guān)。交流變頻調(diào)速技術(shù)是電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物。交流變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)越性體現(xiàn)在節(jié)電顯著和調(diào)速性能卓越兩個方面。針對這一情況，設(shè)計(jì)了基于 DSP TMS320LF2407A 及智能功率模塊 PM10CSJ060的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。TMS320LF2407A 是專為電機(jī)控制而優(yōu)化設(shè)計(jì)的單片 DSP 控制器，它不僅具備強(qiáng)大高速的運(yùn)算處理能力，而且在片內(nèi)集成了豐富的電機(jī)控制外圍部 件，如事件管理器、 PWM 產(chǎn)生電路、 ADC 轉(zhuǎn)換模塊等，這為實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)變頻調(diào)速控制提供了極大的便利。而智能功率模塊（ Intelligent Power Module，簡稱 IPM）將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路、保護(hù)電路、檢測電路等集成在同一個模塊內(nèi)，是電力集成電路 PIC 的一種。設(shè)計(jì)中采用恒壓頻比控制法實(shí)現(xiàn)了調(diào)速，其算法簡單，控制靈活，是一種較為實(shí)用的方法。 基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計(jì) 3 3 第一章、概論 1． 1 DSP 的發(fā)展趨勢 在計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的時代，嵌入式系統(tǒng)軟件、硬件不斷進(jìn)行著新的突破性發(fā)展。如今 DSP 操作系統(tǒng)和 DSP應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中最熱門的技術(shù)，是高校、科研院所和高新技術(shù)企業(yè)的 DSP軟件、硬件開發(fā)人員的新的課題。 DSP 實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)是一種實(shí)時的、多任務(wù)的操作系統(tǒng)軟件，它是 DSP系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口。 目前， DSP 實(shí)時操作系統(tǒng)的品種較多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅用于信息電器的 DSP 操作系統(tǒng)就有 10 種左右。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn) 。 DSP 技術(shù)應(yīng)用前景將非常廣闊。 DSP應(yīng)用產(chǎn)品具有巨大的市場需求前景，僅就美國市場而言，據(jù)估計(jì)， 21 世紀(jì)將有 1 億輛汽車、幾千萬臺個人通信裝置、每個家庭中 5～ 20 個聯(lián)網(wǎng)的家用電器以及數(shù)以百萬計(jì)的工廠使用 DSP 系統(tǒng)。業(yè)界分析家認(rèn)為， DSP 系統(tǒng)在 IP 電話、游戲裝置和手持式通信裝置的推動下將會有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 DSP 系統(tǒng)不僅在傳統(tǒng)的工業(yè)控制、通信和圖象處理領(lǐng)域有極其廣泛的應(yīng)用空間，如智能工控設(shè)備、 POS/ATM 機(jī)、 IC 卡等，而且在信息家電領(lǐng)域的應(yīng)用更具 有極為廣泛的潛力，例如機(jī)頂盒、變頻冰箱、變頻空調(diào)等眾多的消費(fèi)類 和醫(yī)療保健類電子設(shè)備，以及在車載盒、智能交通等領(lǐng)域的應(yīng)用也呈現(xiàn)出前所未有的生機(jī)。 （ 1）信息家電領(lǐng)域機(jī)頂盒、變頻冰箱、變頻空調(diào)等眾多的消費(fèi)類和家庭醫(yī)療保健類電子設(shè)備將在未來幾年取得快速發(fā)展，信息家電的個性化、區(qū)域化以及季節(jié)化的趨勢，為特定應(yīng)用的 DSP 操作系統(tǒng)提供了應(yīng)用發(fā)展空間。信息智能家居是未來發(fā)展的方向，估計(jì)幾年內(nèi)將得到快速發(fā)展。 （ 2）醫(yī)療儀器領(lǐng)域大量醫(yī)療儀器的應(yīng)用，如心臟起搏器、放射設(shè)備及分析監(jiān)護(hù)設(shè)備，都需要 RTOS 的支持，像各種化驗(yàn)設(shè)備，如肌動電流描記器、離散光度化學(xué)分析、分光光度計(jì)等，都需要使 用高性能的、專用化的 DSP 系統(tǒng)來提高其精度和速度。引入 DSPRTOS 后，現(xiàn)有的各種監(jiān)護(hù)儀的功能與性能都將得到大幅度的提高。 （ 3）智能汽車領(lǐng)域隨著無線通信與全球定位技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計(jì) 4 4 集通信、信息、導(dǎo)航、娛樂和各類汽車安全電子系統(tǒng)于一體的車載盒會成為下一代和未來汽車的發(fā)展方向。由于足夠的市場需求，車載盒必將成為近年來發(fā)展的熱點(diǎn)， DSPRTOS 在該領(lǐng)域應(yīng)用市場的規(guī)模未來幾年里將迅速增加。 （ 4）智能交通領(lǐng)域隨著人們對環(huán)境要求的不斷提高，智能交通系統(tǒng)（ ITS）必將是新世紀(jì)迅猛發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。特定應(yīng)用的 DSP 操作系統(tǒng)將是發(fā)展智能綜合路口控制機(jī)、路車交互系統(tǒng)、新型停車系統(tǒng)、高速公路的信息監(jiān)控與收費(fèi)綜合管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用將確保智能交通系統(tǒng)的低成本與高性能，大大提高系統(tǒng)的可靠性和智能化程度。 （ 5） 其它領(lǐng)域的應(yīng)用，如視頻會議系統(tǒng)、全數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)（包括直流無刷伺服和交流伺服）、語音壓縮、通信等。 DSP的應(yīng)用離不開 DSP操作系統(tǒng)。 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 交流變頻調(diào)速技術(shù)相對于變壓調(diào)速等其它方法有著明顯的優(yōu)點(diǎn) :①調(diào)速時平滑性好，效率高 。② 調(diào)速范圍較大，精度高 。③起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電 效果明顯 。④變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便 。⑤易于實(shí)現(xiàn)過程自動化等優(yōu)異特性，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。 20世紀(jì)是電力電子變頻技術(shù)由誕生到發(fā)展的一個全盛時期。最初的交流變頻調(diào)速理 論誕生于 20世紀(jì) 20年代，直到 60年代，由于電力電子器件的發(fā)展，才促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)向?qū)嵱梅较虻陌l(fā)展。 70年代，席卷工業(yè)發(fā)達(dá)國家的石油危機(jī)，促使他們投入大量的人力、物力、財(cái)力去研究高效率的變頻器，使變頻調(diào)速技術(shù)有了很大的發(fā)展并得到推廣應(yīng)用。 80年代，變頻調(diào)速己產(chǎn)品化，性能也不斷提高，充分發(fā)揮了交流調(diào)速的優(yōu)越性， 廣泛的應(yīng)用 于工業(yè)各部門，并且部分取代了直流調(diào)速。進(jìn)入 90 年代，由于新型電力電子器件的發(fā)展及性能的提高、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及先進(jìn)控制理論和技術(shù)的完善和發(fā)展等原因，極大地提高了變頻調(diào)速的技術(shù)性能，促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使變頻調(diào)速裝置在調(diào)速范圍、驅(qū)動能力、調(diào)速精度、動態(tài)響應(yīng)、輸出性能、功率因數(shù)、運(yùn)行效率及使用的方便性等方面大大超過了其他常規(guī)交流調(diào)速方式，其性能指標(biāo)亦已超過了直流調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到取代直流調(diào)速系統(tǒng)的地步。 目前 ，交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果以及在國基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計(jì) 5 5 民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)為 是一種最有前途的交流調(diào)速方式，代表了電氣傳動發(fā)展的主流方向。變頻調(diào)速技術(shù)為節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量提供了至關(guān)重要的手段。變頻調(diào)速理論己形成較為完整的科學(xué)體系，成為一門相對獨(dú)立的學(xué)科。變頻裝置按變換環(huán)節(jié)分有交一直一交系統(tǒng)和交一交系統(tǒng)兩大類，交一直一交系統(tǒng)又分為電壓型和電流型，其中，電壓型變頻器在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛 。按電壓的調(diào)制方式分為脈幅調(diào)制 PAM(Pulse Altitude Modulation)和脈寬調(diào)制 PWM(Pulse Width Modulation)兩大類，前者己幾近絕跡，目 前普遍采用的是后者回 . 變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案 目前典型的變頻調(diào)速控制類型主要有四種 :①恒壓頻比 (v均控制，②轉(zhuǎn)差頻率控制，③矢量控制，④直接轉(zhuǎn)矩控制。下面分別對這四種調(diào)速控制類型進(jìn)行介紹。 早期的變頻系統(tǒng)都是采用開環(huán)恒壓比田 /卜常數(shù) )的控制方式， U/f控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制 ,無需速度傳感器，控制電路簡單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)，所以通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式，普遍應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、泵類的調(diào)速系統(tǒng)中。但是由于這種控制方法是開環(huán)控制，調(diào)速精度不高，低速時因定子電阻和逆 變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降、穩(wěn)定性變差。 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制是一種轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。利用異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成正比的關(guān)系來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，就可以達(dá)到與直流恒磁通調(diào)速系統(tǒng)相似的性能。它的優(yōu)點(diǎn)在于頻率控制環(huán)節(jié)的輸入頻率信號是由轉(zhuǎn)差信號和實(shí)測轉(zhuǎn)速信號相加后得到的，在轉(zhuǎn)速變化過程中，實(shí)際頻率隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速同步上升或下降，因此加、減速更平滑，容易穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律是從異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式推得的，所以存在動態(tài)時磁通的變化不能得到控制、電流相位沒有得到控制等差距，使其不能達(dá)到與直流恒 磁通調(diào)速系統(tǒng)同樣的性能。 本世紀(jì) 70年代西德 (FOC)理論，由此開創(chuàng)了交流電動機(jī)等效直流電動機(jī)控制的先河 1習(xí)。矢量控制也稱為磁場定向控制，它著眼于電機(jī)磁場的直接控制。其主要思想是將異步電動機(jī)模擬成直流電動機(jī)，基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計(jì) 6 6 通過坐標(biāo)變換的方法分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，實(shí)現(xiàn)正交或解禍控制，從而獲得與直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)調(diào)速特性。因?yàn)檫@種方法采用了坐標(biāo)變換，所以對控制器的運(yùn)算速度、處理能力等性能要求較高。但在實(shí)際上矢量控制運(yùn)算及轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)中要使用電動機(jī)參數(shù)，其控制的 精確性受到參數(shù)變化的影響，所以精確的矢量控制系統(tǒng)要對電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。這種控制方式需要解禍計(jì)算和坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，計(jì)算量較大，實(shí)現(xiàn)起來困難。在矢量控制系統(tǒng)中，給定量要從直流變?yōu)榻涣?，而反饋量要從交流變?yōu)橹绷髟偌由限D(zhuǎn)子磁鏈模型、轉(zhuǎn)子參數(shù)的辨識與校正等 。因此電機(jī)的速度辨識及磁鏈觀測器的實(shí)現(xiàn)是矢量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。 1985年德國魯爾大學(xué) DePenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論 (DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同， DTC摒棄了解禍的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單的通過檢測電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬 時空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得的差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系計(jì)算與控制交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生脈寬調(diào)制 (PWM)信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于 :直接在定子坐標(biāo)系上分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換和計(jì)算。大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。但是由于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是 直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的砰一砰控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩