【正文】 基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 1 基于 DSP的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 摘要 : 由于三相交流異步電動機具有優(yōu)良的性能，因此其在工業(yè)場合應用廣泛。所討論的調(diào)速系統(tǒng)以三相交流 異步電動機為被控對象，以 TMS320LF2407A （ 16 位定點 DSP 芯片）為處理器，采用智能功率模塊 PM10CSJ060,通過 SPWM 技術對交流電機進行恒壓頻比控制，設計并實現(xiàn)了基于 DSP 的變頻調(diào)速（ Variable Velocity Variable Frequence，簡稱 VVVF）控制系統(tǒng)。 關鍵詞 : 異步電動機；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 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 2 引言 在工礦企業(yè)中，電動機是應用面最廣、數(shù)量最多的電氣設備之一，因而電機的運動和控制與企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和效益密切相關。交流變頻調(diào)速技術是電力電子技術、微電子技術、控制技術高度發(fā)展的產(chǎn)物。交流變頻調(diào)速技術的優(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，設計了基于 DSP TMS320LF2407A 及智能功率模塊 PM10CSJ060的交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。TMS320LF2407A 是專為電機控制而優(yōu)化設計的單片 DSP 控制器，它不僅具備強大高速的運 算處理能力，而且在片內(nèi)集成了豐富的電機控制外圍部件，如事件管理器、 PWM 產(chǎn)生電路、 ADC 轉換模塊等，這為實現(xiàn)交流電機變頻調(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）將大功率開關器件和驅動電路、保護電路、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。設計中采用恒壓頻比控制法實現(xiàn)了調(diào)速，其算法簡單，控制靈活，是一種較為實用的方法。 基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 3 基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 4 4 第一章、概論 1． 1 DSP 的發(fā)展趨勢 在計算機技術日新月異的時代，嵌入式系統(tǒng)軟件、硬件 不斷進行著新的突破性發(fā)展。如今 DSP 操作系統(tǒng)和 DSP 應用已經(jīng)成為當今嵌入式系統(tǒng)應用領域中最熱門的技術，是高校、科研院所和高新技術企業(yè)的 DSP 軟件、硬件開發(fā)人員的新的課題。 DSP 實時嵌入式操作系統(tǒng)是一種實時的、多任務的操作系統(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的底層驅動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設備驅動接口。 目前， DSP 實時操作系統(tǒng)的品種較多，據(jù)統(tǒng)計，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)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟 件固態(tài)化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。 DSP 技術應用前景將非常廣闊。 DSP 應用產(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， 21 世紀將有 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)以百萬計的工廠使用 DSP 系統(tǒng)。業(yè)界分析家認為， 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、通信和圖象處理領域有極其廣泛的應用空間，如智能工控設備、 POS/ATM 機、 IC 卡等，而且在信息家電領域的應用更具 有極為廣泛的潛 力，例如機頂盒、變頻冰箱、變頻空調(diào)等眾多的消費類和醫(yī)療保健類電子設備，以及在車載盒、智能交通等領域的應用也呈現(xiàn)出前所未有的生機。 （ 1）信息家電領域機頂盒、變頻冰箱、變頻空調(diào)等眾多的消費類和家庭醫(yī)療保健類電子設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，為特定應用的 DSP 操作系統(tǒng)提供了應用發(fā)展空間。信息智能家居是未來發(fā)展的方向，估計幾年內(nèi)將得到快速發(fā)展。 （ 2）醫(yī)療儀器領域大量醫(yī)療儀器的應用，如心臟起搏器、放射設備及分析監(jiān)護設備，都需要 RTOS 的支持，像各種化驗設備，如肌動電流 描記器、離散光度化學分析、分光光度計等，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)護儀的功能與性能都將得到大幅度的提高。 （ 3）智能汽車領域隨著無線通信與全球定位技術的日益成熟和廣泛應用，基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 5 5 集通信、信息、導航、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， DSPRTOS 在該領域應用市場的規(guī)模未來幾年里將迅速增加。 （ 4）智能交通領域隨著人們對環(huán)境要求的不斷提高，智能交通系統(tǒng)（ ITS）必將是新世紀迅猛發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。特定應用的 DSP 操作系統(tǒng)將是發(fā)展智能綜合路口控制機、路車交互系統(tǒng)、新型停車系統(tǒng)、高速公路的信息監(jiān)控與收費綜合管理系統(tǒng)的關鍵技術，其應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） 其它領域的應用，如視頻會議系統(tǒng)、全數(shù)字電機控制系統(tǒng)（包括直流無刷伺服和交流伺服）、語音壓縮、通信等。 DSP 的應用離不開 DSP 操作系統(tǒng)。 變頻調(diào)速技術的發(fā)展 交流變頻調(diào)速技術相對于變壓調(diào)速等其它方法有著明顯的優(yōu)點 :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易于實現(xiàn)過程自動化等優(yōu)異特性，在實際中得到了廣泛的應用。 20世紀是電力電子變頻技術由誕生到發(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 20年代，直到 60年代，由于電力電子器件的發(fā)展，才促進了變頻調(diào)速技術向實用方向的發(fā)展。 70年代，席卷工業(yè)發(fā)達國家的石油危機，促使他們投入大量的人力、物力、財力去研究高效率的變頻器，使變頻調(diào)速技術有了很大的發(fā)展并得到推廣應用。 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， 廣泛的應用于工業(yè)各部門，并且部分取代了直流調(diào)速。進入 90 年代，由于新型電力電子器件的發(fā)展及性能的提高、計算機技術的發(fā)展以及先進控制理論和技術的完善和發(fā)展等原因，極大地提高了變頻調(diào)速的技術性能，促進了變頻調(diào)速技術的發(fā)展，使變頻調(diào)速裝置在調(diào)速范圍、驅動能力、調(diào)速精度、動態(tài)響應、輸出性能、功率因數(shù)、運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，其性能指標亦已超過了直流調(diào)速系統(tǒng)，達到取代直流調(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 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 6 6 民經(jīng)濟各領域的廣泛適用性，而被公認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)量提供了至關重要的手段。變頻調(diào)速理論己形成較為完整的科學體系，成為一門相對獨立的學科。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轉差頻率控制，③矢量控制，④直接轉矩控制。下面分別對這四種調(diào)速控制類型進行介紹。 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控制是轉速開環(huán)控制 ,無需速度傳感器，控制電路簡單，負載可以是通用標準異步電動機，所以通用性強，經(jīng)濟性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式，普遍應用在風機、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)效應的存在而性能下降、穩(wěn)定性變差。 異步電動機轉差頻率控制是一種轉速閉環(huán)控制。利用異步電動機的轉矩與轉差頻率成正比的關系來控制電機的轉矩，就可以達到與直流恒磁通調(diào)速系統(tǒng)相似的性能。它的優(yōu)點在于頻率控制環(huán)節(jié)的輸入頻率信號是由轉差信號和實測轉速信號相加后得到的，在轉速變化過程中，實際頻率隨著實際轉速同步上升或下降，因此加、減速更平滑，容易穩(wěn)定。其缺點是由于轉差頻率控制規(guī)律是從異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉矩公式推得的，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，使其不能達到與直流恒磁通調(diào)速系統(tǒng)同樣的性能。 本世紀 70年代西德 (FOC)理論，由此開創(chuàng)了交流電動機等效直流電動機控制的先河 1習。矢量控制也稱為磁場定向控制，它著眼于電機磁場的直接控制。其主要思想是將異步電動機模擬成直流電動機，基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 7 7 通過坐標變換的方法分解定子電流，使之成為轉矩和磁場兩個分量，實現(xiàn)正交或解禍控制，從而獲得與直流電動機一樣良好的動態(tài)調(diào)速特性。因為這種方法采用了坐標變換，所以對控制器的運算速度、處理能力等性能要求較高。但在實際上矢量控 制運算及轉子磁鏈估計中要使用電動機參數(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)要對電動機的參數(shù)進行估計。這種控制方式需要解禍計算和坐標旋轉變換，計算量較大，實現(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子磁鏈模型、轉子參數(shù)的辨識與校正等 。因此電機的速度辨識及磁鏈觀測器的實現(xiàn)是矢量控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵所在。 1985年德國魯爾大學 DePenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論 (DTC)。直接轉矩控制與矢量控制不同， DTC摒棄了解禍的思想，取消了旋轉坐 標變換，簡單的通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩，并根據(jù)與給定值比較所得的差值，實現(xiàn)磁鏈和轉矩的直接控制。直接轉矩控制技術是用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系計算與控制交流電動機的轉矩，采用定子磁場定向，借助離散的兩點式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生脈寬調(diào)制 (PWM)信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態(tài)性能。這種方法的優(yōu)點在于 :直接在定子坐標系上分析交流電動機的數(shù)學模型、控制電動機的轉矩和磁鏈，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換和計算。大大減少了矢量控制技術中控制性能易 受參數(shù)變化影響的問題。但是由于直接轉矩控制系統(tǒng)是直