基于dsPIC30F6010三相異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要；介紹一種基于dsPIC30F6010芯片采用全數(shù)字雙閉環(huán)矢量法控制三相交流異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)方案。以dsPIC30F60 10芯片為CPU的開(kāi)發(fā)板、光電編碼器、三相交流異步電動(dòng)機(jī)、經(jīng)過(guò)改進(jìn)電流傳感器的集成IPM的驅(qū)動(dòng)電源和自制電平轉(zhuǎn)換板，構(gòu)建了一個(gè)異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)起動(dòng)快速，運(yùn)行平穩(wěn)，具有較寬的調(diào)速范圍，精度較高，滿(mǎn)足了對(duì)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。
關(guān)鍵詞：三相交流異步電動(dòng)機(jī)；dsPIC30F6010；矢量法控制；光電編碼器

0 引言
    20世紀(jì)80年代開(kāi)始，電力電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論發(fā)展，為交流電氣傳動(dòng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了條件，使得交流傳動(dòng)逐步具備了寬調(diào)速范圍、高精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行良好的技術(shù)性能。今天，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為最主要的動(dòng)力源，在生產(chǎn)和生活中占有重要地位。而交流三相異步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉和控制靈活等特點(diǎn)在交流電機(jī)中居于主導(dǎo)地位。隨著高性能數(shù)字處理芯片DSP的廣泛應(yīng)用，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速進(jìn)入了一個(gè)新階段，其調(diào)速性能幾乎可以與直流電機(jī)相媲美。本論文采用DSC(數(shù)字信號(hào)控制器)，它屬于嵌入式控制器，集成了單片機(jī)(MCU)的控制功能以及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的計(jì)算能力，而且價(jià)格便宜。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 矢量控制
    異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型很復(fù)雜，關(guān)鍵是由于其復(fù)雜的磁鏈關(guān)系。因此，要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，必須通過(guò)坐標(biāo)變換將異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型從三相靜止坐標(biāo)系上變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上。從三相靜止坐標(biāo)系(ABC坐標(biāo)系)到兩相靜止坐標(biāo)系(Oab坐標(biāo)系)的變換稱(chēng)為Clarke變換，從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(OMT坐標(biāo)系)的變換稱(chēng)為Park變換。
    矢量控制也叫磁場(chǎng)定向控制，通過(guò)坐標(biāo)變換，在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量ism和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量ist，并使兩分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就與直流電動(dòng)機(jī)相似了，這就是矢量控制的核心思想。
1．2 硬件系統(tǒng)方案
    本系統(tǒng)采用美國(guó)微芯公司的dsPICDEM1．1電機(jī)開(kāi)發(fā)板，主芯片是dsPICD30F6010?？偨Y(jié)構(gòu)如圖1所示。速度傳感器用來(lái)檢測(cè)速度；控制器用來(lái)接收檢測(cè)的定子電流信號(hào)和速度信號(hào)，發(fā)出PWM信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電源用來(lái)檢測(cè)定子電流信號(hào)、做交-直-交變換來(lái)控制電機(jī)。

1．3 dsPIC30F6010芯片簡(jiǎn)介
    dsPIC30F6010包括16 b數(shù)據(jù)改良的哈佛結(jié)構(gòu)；CPU具有24 b寬度指令；線性程序存儲(chǔ)(ROM)容量達(dá)4Mx24 b；線性隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)容量為32Kx16 b；16×16工作寄存器陣列；軟件堆棧；快速、穩(wěn)定的中斷響應(yīng)；可以支持3個(gè)操作數(shù)的指令A(yù)+B=C；擴(kuò)展的尋址模式。該芯片工作電壓為5 V；-40～85℃時(shí)，最高運(yùn)算速度為30MIPS。本系統(tǒng)涉及的相關(guān)模塊有電機(jī)控制PWM(MCPWM)模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換(A／D)模塊、正交編碼器接口(QEI)模塊。
1．4 驅(qū)動(dòng)電源的的原理和選擇
    三相交流異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)一般采用交-直-交方式，也就是先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流、濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的交流電(逆變)。
    驅(qū)動(dòng)電源部分采用上海嘉尚電子的DR15A。它內(nèi)部集成IPM(內(nèi)部6個(gè)IGBT)，具有過(guò)熱、過(guò)壓，過(guò)流、過(guò)載多種保護(hù)，同時(shí)還具有兩相定子電流檢測(cè)、直流母線電壓檢測(cè)和溫度檢測(cè)等功能。
1．5 電流傳感器電平轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)
    由于交流電機(jī)的定子相電流值按正弦變化，所以具有方向性，因此數(shù)值上有正有負(fù)。本文電流傳感器輸出電壓范圍是-4～4 V，而dsPIC的A／D轉(zhuǎn)換參考電壓范圍是0～5 V，為了能利用控制器的A／D轉(zhuǎn)換輸出正確的值，必須將檢測(cè)電流信號(hào)做電平轉(zhuǎn)移和變換。
1．6 速度傳感器的選擇
    速度傳感器采用長(zhǎng)春禹衡生產(chǎn)的LF型光電編碼器。主要參數(shù)如下：
    A，B，Z三相輸出；5 V電壓供電；輸出電壓(單位：V)VH>3．5，VL<0．5；上升時(shí)間<1μs；下降時(shí)間<1μs；響應(yīng)頻率為0～100 Hz；最大允許轉(zhuǎn)速為6 000 r／min；啟動(dòng)力矩為0．05 N·m；軸、徑向最大負(fù)載為50 N；慣性力矩為1．3×10-5N-m·s2；允許角加速度為1 000 rad ／s2。能夠滿(mǎn)足對(duì)速度和位置的測(cè)量。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)根據(jù)前面介紹的控制策略、硬件系統(tǒng)進(jìn)行編程、調(diào)試，主要完成以下功能：矢量控制的主程序、PWM時(shí)基中斷子程序、A／D轉(zhuǎn)換完成中斷子程序、故障處理中斷子程序、速度和電流的PI調(diào)節(jié)等。

    矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)方案如圖2所示。閉環(huán)子程序如圖3所示，具體思想如下：
    (1)通過(guò)霍爾電流傳感器測(cè)量逆變器輸出的定子電流iA，iB，經(jīng)過(guò)dsPIC30F6010的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并利用式iC=-(iA+iB)計(jì)算出。通過(guò)Clarke變換和Park變換將電流iA，iB，iC變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量iM，iT，其中iM，iT作為電流環(huán)的負(fù)反饋量。
    (2)利用4倍頻的1 024線增量式編碼器測(cè)量電動(dòng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速n的PU值。轉(zhuǎn)速n作為速度環(huán)的負(fù)反饋量。
    (3)眾所周知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速是不同步的，所以用電流-磁鏈位置轉(zhuǎn)換模塊求出轉(zhuǎn)子磁鏈位置，當(dāng)定子電流M，T坐標(biāo)系的分量iM，iT以及電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n已知時(shí)，可求出轉(zhuǎn)子磁鏈位置θ，用于參與Park變換和逆變的計(jì)算。
    (4)給定轉(zhuǎn)速nref與轉(zhuǎn)速反饋量n的偏差經(jīng)過(guò)速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流T軸參考分量iTref。iTref和iMref(采用保持恒磁，設(shè)其值為0)與電流反饋量iT，iM的偏差經(jīng)過(guò)電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出M，T旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系韻相電壓UMref和UTref。UMref和UTref再通過(guò)Park逆變換轉(zhuǎn)換成在α，β直角坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量Uαref和Uβref。
    (5)當(dāng)定子相電壓矢量的分量Uαref和Uβref及其所在的扇區(qū)數(shù)已知，利用七段法電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)來(lái)控制逆變器。

3 系統(tǒng)測(cè)試
    本試驗(yàn)用的是YS-7124系列鼠籠式三相交流異步電動(dòng)機(jī)，其中功率為370 W，額定電流為1．94A／1．12A，額定電壓為220 V／380 V，額定頻率為50 Hz，額定轉(zhuǎn)速為1 400 r／min，效率為69．5％，功率因數(shù)為0．72，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩／額定轉(zhuǎn)矩是2.4，堵轉(zhuǎn)電流／額定電流是6，最大轉(zhuǎn)，矩／額定轉(zhuǎn)矩是2．4。
    進(jìn)行了開(kāi)環(huán)SVPWM控制試驗(yàn)、速度單閉環(huán)SVPWM控制試驗(yàn)、矢量雙閉環(huán)控制試驗(yàn)。以1 000 r／min為例，定子電流如圖4所示，可以看出矢量控制雙閉環(huán)的速度波動(dòng)要比啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的電機(jī)速度波動(dòng)要小，而且在同一PI調(diào)節(jié)參數(shù)下，速度調(diào)節(jié)要比單閉環(huán)更平穩(wěn)。圖5是矢量雙閉環(huán)控制的速度波形，可以看出本控制系統(tǒng)速度響應(yīng)快，運(yùn)行平穩(wěn)，穩(wěn)定時(shí)速度誤差小，說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行良好。

4 結(jié)論
    本文使用dsPIC30F6010芯片實(shí)現(xiàn)軟件全數(shù)字化，在保證控制精度的同時(shí)相比單片機(jī)免去了很多硬件，避免了硬件系統(tǒng)過(guò)于繁雜的不穩(wěn)定性，在價(jià)格上要比相應(yīng)的DSP便宜。所以本系統(tǒng)即簡(jiǎn)化了硬件電路，又節(jié)省了成本。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，該系統(tǒng)速度響應(yīng)快，運(yùn)行平穩(wěn)，穩(wěn)定時(shí)速度誤差小，說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行良好。