基于TMS320F2812的矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)研究

現(xiàn)代交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，隨著矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制方法的出現(xiàn)和應(yīng)用，使交流傳動(dòng)系統(tǒng)的性能有了明顯的改善，矢量控制技術(shù)作為交流調(diào)速的首選方案之一，近年來得到不斷的完善和改進(jìn)。由于矢量控制策略較復(fù)雜，由模擬或模擬數(shù)字混合的實(shí)現(xiàn)方案存在電路復(fù)雜、一致性差、零漂等問題，因此應(yīng)用高性能的數(shù)字信號(hào)處理器組成數(shù)字化矢量控制系統(tǒng)是目前熱點(diǎn)研究方向。TMS320F2812是一款專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的最新的32位定點(diǎn)DSP芯片，由于它具有成本低、功耗小、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、程序存儲(chǔ)量大、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，且與現(xiàn)有的24x／240x系列DSP控制芯片代碼兼容，因此成為現(xiàn)代交流調(diào)速控制系統(tǒng)的首選芯片。本文首先建立了按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的模型，并利用TMS320LF2812DSP為核心控制芯片設(shè)計(jì)了一套矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)，構(gòu)建了該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，給出了系統(tǒng)的硬件和軟件組成方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了整個(gè)控制方案的可行性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

l 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及控制原理
1．1 交流異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型
    為了分析方便，先對(duì)三相異步電機(jī)做如下理想化假定：1)、電機(jī)定轉(zhuǎn)子三相繞組完全對(duì)稱；2)、定轉(zhuǎn)子表面光滑，無齒槽效應(yīng)，定轉(zhuǎn)子每相氣隙磁動(dòng)勢(shì)在空間呈正弦分布；3)、磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計(jì)。
    在以上條件下，經(jīng)過從靜止到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，得到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方程式如下：

   
    其中：為漏磁系數(shù)，τr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，Rs、Rr為電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻；Ls、Lr、Lm分別為定轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)控制原理
    圖1是異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制原理框圖。利用空間矢量分析法，采用磁場(chǎng)定向?qū)⒍ㄗ与娏鬟M(jìn)行CLARK變換和PARK變換(矢量變換)，得到在dq坐標(biāo)系下的勵(lì)磁反饋電流isd和轉(zhuǎn)矩反饋電流isq，與給定勵(lì)磁電流isdref和轉(zhuǎn)矩電流isqref比較，再經(jīng)過PARK逆變換輸出在αβ坐標(biāo)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(chǎn)生isqref，另一方面進(jìn)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(jī)三相電流，經(jīng)過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子的同步坐標(biāo)下，再經(jīng)過電流環(huán)PI調(diào)節(jié)出適當(dāng)?shù)碾妷菏噶?，?jīng)過空間矢量發(fā)生器后去控制三相逆變器。這里在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)需要知道轉(zhuǎn)子軸的位置，即圖1中的角θ，它可根據(jù)(3)、(4)式通過定子電流矢量和電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)來獲得這一角度。

2 系統(tǒng)的組成及硬件和軟件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成：
    圖2是由TMS320F2812作為控制芯片的電機(jī)矢量控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，整個(gè)系統(tǒng)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(hào)檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)隔離和保護(hù)電路等幾大部分組成；系統(tǒng)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(gòu)成低通濾波器對(duì)三相不控整流的輸出進(jìn)行濾波，為后級(jí)的逆變環(huán)節(jié)提供穩(wěn)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(gè)IGBT、六個(gè)續(xù)流二極管、柵極驅(qū)動(dòng)電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護(hù)電路。模塊的主電路共有5個(gè)端子，P和N為直流電源輸入正端和負(fù)端，U，V，W為三相逆變器輸出端?？刂撇糠职≒WM信號(hào)輸入，過流、欠壓、過壓等故障信號(hào)以及驅(qū)動(dòng)電源等，其中DSP生成的PWM信號(hào)需通過光耦合器隔離后輸入。上臂三個(gè)單管分別使用三個(gè)獨(dú)立的電源進(jìn)行控制，三個(gè)下管則共用一個(gè)電源，光耦輸入有驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，光耦隔離器件導(dǎo)通，這時(shí)IPM控制輸入為低電平，其控制的IGBT、導(dǎo)通，當(dāng)光耦輸入無驅(qū)動(dòng)電流或驅(qū)動(dòng)電流不夠大時(shí)，光耦隔離器件不導(dǎo)通，這時(shí)IPM控制的輸入為高電平，其控制的IGBT不導(dǎo)通。Up、Vp、Wp是與變頻器直流輸入正端P相接的各開關(guān)管控制輸入端，Ufo，Vfo，Wfo是模塊內(nèi)部各個(gè)開關(guān)管的保護(hù)輸出端，Un、Vn、Wn則是與變頻器直流輸入負(fù)端N相接的各管的控制輸入端，F(xiàn)O是它們共同的保護(hù)輸出端。PM30CSJ060的自保護(hù)電路中，任何一相保護(hù)電路動(dòng)作，將產(chǎn)生一低電平，而且各相保護(hù)電路的故障信號(hào)(如過流、過壓、欠壓等)輸出相與，所得信號(hào)送入DSP的PDPINT中斷口(低電平有效)，當(dāng)DSP收到低電平信號(hào)時(shí)，作出中斷處理，封鎖PWM輸出。

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    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(tǒng)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(jī)控制專用DSP芯片，它是TI公司在TMS320C2000平臺(tái)上使用32位內(nèi)核的DSP，運(yùn)行速度可達(dá)150MIPS，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，能應(yīng)用于很多復(fù)雜的控制算法；高性能低功率，采用1．8V內(nèi)核電壓和3．3V外圍接口電壓；片上有128kFlash和1 8k內(nèi)部Saram，可外擴(kuò)1M的統(tǒng)一編址存儲(chǔ)器，應(yīng)用起來更加靈活方便、快速；兩個(gè)事件管理模塊為電機(jī)控制提供了良好的控制功能；另外還有16路12bitA／D可靈活設(shè)置采樣方式；擁有兩個(gè)SCI口和一個(gè)SPI口，增加了數(shù)據(jù)緩存能力，傳輸頻率可達(dá)MHz量級(jí)；串行通訊模塊還包括增強(qiáng)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(fù)雜的外圍電路，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。
    系統(tǒng)的電流檢測(cè)電路如圖3示，由于電機(jī)繞組是對(duì)稱的，因此只檢測(cè)兩相電流ia和ib，本系統(tǒng)是采用霍爾傳感器來檢測(cè)電機(jī)電流ia和ib的。圖3為ia相電流檢測(cè)電路，由圖可見，先將電流霍爾檢測(cè)到的電流ia經(jīng)過信號(hào)比例放大，全波整流，輸出供TMS320F2812的A／D口的ADCINl(ib的測(cè)量送入ADCIN2)進(jìn)行采樣，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后進(jìn)行相應(yīng)處理。TMS320F2812的A／D模塊具有l(wèi) 2位精度，這為提高系統(tǒng)的控制精度創(chuàng)造了條件，其電流采樣的分辨率達(dá)到1／290。

    在保護(hù)部分中，雖然IPM模塊已經(jīng)設(shè)有過壓、欠壓、過流、過熱等保護(hù)，但是為了提高系統(tǒng)的安全可靠性及更好的保護(hù)IGBT管，我們還設(shè)置一套快速而準(zhǔn)確的保護(hù)環(huán)節(jié)以防止各種故障，本環(huán)節(jié)保護(hù)電路的故障信號(hào)均輸出相與，所得信號(hào)送入DSP的PDPINT中斷口，當(dāng)該口收到的電平信號(hào)后，DSP將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖PWM輸出及停止運(yùn)行。
2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件主要包括主程序與中斷服務(wù)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(shí)間管理器、AD轉(zhuǎn)換的初始化；系統(tǒng)的啟動(dòng)、停機(jī)的控制等。中斷子程序的是整個(gè)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(gè)中斷周期內(nèi)，要完成各種采樣信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換，電路的PI調(diào)節(jié)控制，逆變電路開關(guān)管的輸出占空比的在線實(shí)時(shí)計(jì)算，以及各種軟件的保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。子程序包括：速度測(cè)量子程序，光電編碼脈沖計(jì)數(shù)子程序，模相電流檢測(cè)子程序，電流環(huán)和速度環(huán)的數(shù)字PI調(diào)節(jié)子程序，PARK變換和逆變換子程序，CLARKE變換子程序，空間矢量產(chǎn)生和PWM波形發(fā)生子程序等。圖4是速度PI調(diào)節(jié)程序流程圖，圖5是PWM定時(shí)中斷子程序流程圖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    根據(jù)上述對(duì)主電路，控制電路等各個(gè)部分設(shè)計(jì)，應(yīng)用TMS320F2812為主控芯片搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)采用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，其參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速1440r／min，頻率50Hz，額定電壓：380V，額定電流：8．8A；異步電動(dòng)機(jī)帶的是同軸的他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，其參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速1450r／min，額定電壓：230V，額定勵(lì)磁電壓：220V，額定勵(lì)磁電流：0．79A。SVPWM的開關(guān)頻率設(shè)為10kHz，死區(qū)時(shí)間不小于2．5μs。電流環(huán)的參數(shù)整定為：kp=4．5，ki=12，轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)整定為：kp=60，ki=0．8，實(shí)驗(yàn)波形采用數(shù)字示波器測(cè)量得到，電流波形每100mV代表電流值是1A，轉(zhuǎn)速波形每1V代表的轉(zhuǎn)速是400轉(zhuǎn)／分鐘。
    圖6是空載啟動(dòng)時(shí)定子電流和轉(zhuǎn)速曲線的波形(圖中：定子電流：橫軸：250ms／格，縱軸：2A／格；轉(zhuǎn)速：橫軸：250ms／格，縱軸：400轉(zhuǎn)／分／格)，啟動(dòng)時(shí)間大約需1．25秒鐘，啟動(dòng)電流比穩(wěn)態(tài)時(shí)大2倍。

    圖7是直流發(fā)電機(jī)帶63Ω的電阻負(fù)載時(shí)(異步電動(dòng)機(jī)帶的負(fù)載功率是1．2kW左右)啟動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形(定子電流：橫軸：250ms／格，縱軸：5A／格；轉(zhuǎn)速：橫軸：250ms／格，縱軸：400轉(zhuǎn)／分／格)，在帶負(fù)載的情況下，電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間也是1．25秒鐘，啟動(dòng)過程中啟動(dòng)電流比穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流值稍大但小于是2倍，說明隨著負(fù)載功率的加大，啟動(dòng)電流和穩(wěn)態(tài)電流越接近。

4 結(jié)論
    矢量控制系統(tǒng)具有高的動(dòng)靜態(tài)性能，但其控制的實(shí)時(shí)運(yùn)算量大，運(yùn)用DSP芯片作為主控芯片可有效地解決實(shí)際矢量控制實(shí)現(xiàn)時(shí)運(yùn)算量大而引起的實(shí)時(shí)性問題，而TMS320F2812作為一種新型DSP芯片，在電機(jī)控制領(lǐng)域有著優(yōu)異的性能，獲得了越來越多的應(yīng)用。本文以TMS320F2812和PM30CSJ060為核心組成的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障保護(hù)快，動(dòng)態(tài)性能好，控制精度高，是一種理想的矢量控制實(shí)現(xiàn)方案。