摘 要：以三菱公司的智能
功率模塊PM25RSB-120作為主電路核心，TI公司的TMS320LF2407A DSP芯片作為控制電路核心，設(shè)計了一個三相異步電動機矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明整個系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)精度高。
關(guān)鍵詞：DSP；三相異步電動機；智能功率模塊；矢量控制
Abstract：We design a vector control system of Three-phase Asynchronous Motor by taking the PM25RSB-120 IPM of MITSUBISHI & TMS320LF2407A DSP of TI as the key controller of the main circuit and control circuit. The experimental results show that the whole system run well with quick dynamic response, small overshoots and high accuracy of steady-state.
Keywords：Digital Signal Processor; Three-phase Asynchronous Motor; Intelligent Power Module; Vector Control
1 前言
在石油石化行業(yè)，石油鉆井中的鉆機，生產(chǎn)現(xiàn)場的抽油機、風(fēng)機、
水泵、輸油泵和泥漿泵等電機的運行都要消耗大量的電能，如何充分合理地利用電能顯得非常重要。而采用變頻調(diào)速技術(shù)后，節(jié)能效果非常明顯。新疆克拉瑪依油田多處輸油泵采用變頻調(diào)速裝置，如采油三廠在輸油泵上應(yīng)用一臺變頻器，運行后效果良好，經(jīng)儀表測試，采用變頻調(diào)速后，有功節(jié)電為65.73%，無功節(jié)電為78.79%，功率因數(shù)達(dá)到0.99。據(jù)實際運行統(tǒng)計，變頻調(diào)速輸油節(jié)電率為46.83%，316天后可收回全部投資。湖南長嶺煉油廠催化劑廠微球裝置高壓泵采用100kVA變頻器后，輸出功率由18.6kW降至7.2kW，節(jié)電61.3%[3]。在我國，異步電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)有巨大的市場潛能。
本文以TMS320LF2407A DSP芯片為控制核心對高性能矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計，最后對整個系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究。
2 異步電機的矢量控制技術(shù)
異步電機在三相靜止坐標(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，要簡化數(shù)學(xué)模型，必須通過坐標(biāo)變換將異步電機的數(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（0ab坐標(biāo)系）的變換稱為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）的變換稱為Park變換。
矢量控制也叫磁場定向控制，通過坐標(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，彼此獨立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣，交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就與直流電動機相似了，這就是矢量控制的核心思想[1]。
3 系統(tǒng)組成
基于DSP的三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。它包含主電路、控制電路和保護(hù)電路三大部分，具體由整流濾波模塊、逆變模塊、IPM保護(hù)模塊、三相異步電動機、電壓、電流和轉(zhuǎn)速檢測模塊、顯示模塊、主控制模塊、DSP與PC機通信模塊等組成。
圖1 基于DSP的三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)主電路采用典型的交—直—交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。整流環(huán)節(jié)采用三相橋式不可控
整流模塊，逆變電路采用三菱公司的智能功率模塊（IPM）PM25RSB-120作為功率器件，中間直流環(huán)節(jié)利用大電容濾波。系統(tǒng)控制電路包含兩個部分，即TMS320LF2407A DSP核心電路和基于核心電路的外部擴展電路。DSP核心電路負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和具體的算法實現(xiàn)功能，外部擴展電路主要完成電壓、電流和速度信號的檢測，數(shù)據(jù)顯示以及DSP與PC機通信等功能，并對IPM發(fā)出的各種故障信號進(jìn)行綜合處理形成總的故障信號送入TMS320LF2407A的故障中斷入口。上位機（PC機）部分采用Visual Basic編寫通信界面，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速（頻率）和磁通的給定以及調(diào)速系統(tǒng)故障顯示等功能。
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計
主電路包括整流電路、濾波電路和逆變電路三部分。整流電路選用日本富士公司的6RI15G-120（15A 、1200V）三相全橋整流模塊。濾波電容值理論上越大越好，考慮到體積和價格，選用兩個1000μF/450V的電解電容相串聯(lián)，總耐壓值為900V，電容量為500μF 。逆變電路選用日本三菱公司的第三代智能
功率模塊IPM，型號為PM25RSB-120（25A 、1200V），其內(nèi)部本身就集成了過壓、欠壓、過流、過熱和短路等的輸出報警功能。
PM25RSB-120有兩個直流輸入口（P，N），三個交流輸出口（U，V，W），一個泵升制動口（B）和19個控制輸入口。TMS320LF2407A 產(chǎn)生的六路PWM信號經(jīng)過東芝光耦隔離器TLP521后輸入到PM25RSB-120的UP、VP、WP和UN、VN、WN控制引腳，分別控制三相逆變橋的上、下橋臂的導(dǎo)通與關(guān)閉。三相整流橋輸出的直流電壓信號經(jīng)P、N端子輸入到PM25RSB-120中。
圖2 IPM逆變電路
當(dāng)IPM出現(xiàn)故障時，UFO、VFO、WFO和FO口發(fā)出故障信號；對這些信號進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號，并將其送入TMS320LF2407A的口，及時封鎖DSP的PWM口，對整個系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。IPM的驅(qū)動電源必須采用四組+15V的隔離電源。上橋臂每相各用一組電源，三個下橋臂和泵升電壓控制共有一組，各驅(qū)動電源上連接的10μF和0.1μF電容是從電源到IPM之間布線阻抗的退耦。IPM逆變電路圖如圖2所示。
4.2 控制電路設(shè)計
TI 公司的 TMS320LF2407A DSP控制器是性能很好的數(shù)字電動機控制芯片，作為一種專門面向數(shù)字控制系統(tǒng)的通用可編程微處理器，它既集成了極強的數(shù)字信號處理能力，又集成了數(shù)字控制系統(tǒng)所必需的輸入、輸出、A/D 轉(zhuǎn)換和事件捕捉等外設(shè)[2]。
控制電路由兩塊PCB板組成，DSP核心電路組成一塊PCB板，基于DSP核心電路的外部擴展電路組成另外一塊PCB板。本設(shè)計中，控制電路主要完成電壓、電流和速度信號檢測，DSP與PC機通信，數(shù)據(jù)顯示以及故障信號綜合處理等功能。
本設(shè)計選用華南理工大學(xué)科技開發(fā)公司提供的CHB5-P型霍爾電流傳感器來檢測電流，它的工作電壓為 15V，能夠測量 10A之間的電流，輸出電流的最大值為10mA。TMS320F2407A 內(nèi)帶有10 位A/D轉(zhuǎn)換器，每個A/D轉(zhuǎn)換器的最快轉(zhuǎn)換時間是 375ns。在檢測定子電流時，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的量為兩路輸入電流，因此需要2個通道并行轉(zhuǎn)換完成信號的傳輸。
圖3 電流檢測及信號調(diào)理電路圖
如圖3示，霍爾電流傳感器的一路輸出信號經(jīng)過電阻R26后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的雙極性電壓信號Ua；Ua經(jīng)過電平偏移放大電路后變成單極性的電壓信號U2 ，該信號可以直接送入DSP A/D轉(zhuǎn)換器的第0通道進(jìn)行電流采樣。本設(shè)計中電平偏移放大電路由雙運算放大器LM358、電阻R27、R28、R30和LM366組成。LM366是能夠提供2.5V基準(zhǔn)電壓（U0）的電壓基準(zhǔn)芯片，二極管 D6 、D7 組成限幅電路，保證了 DSP 的輸入在0～3.3V 之間。在本設(shè)計中，A/D 轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓為3.3V，它由 TI 公司的電平轉(zhuǎn)換芯片REF3033提供，REF3033是一個高精度電壓基準(zhǔn)芯片，誤差為0.2％，輸出電流最大為 25mA。
本設(shè)計采用歐姆龍公司的OVW2-2048-2MD型旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測，它由+5V供電，有A、B和Z相三路輸出。其中A與B用于測速，它們的相位差為90度，每轉(zhuǎn)一圈輸出2048個脈沖；而Z脈沖為每轉(zhuǎn)一圈輸出一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B相輸出經(jīng)過高速光耦隔離，接到DSP的增量式光電編碼器接口（QEP）引腳，通過對脈沖的計數(shù)就可以計算電機實測轉(zhuǎn)速。
電動機實測轉(zhuǎn)速由4位共陰極 LED數(shù)碼管顯示，顯示方式采用動態(tài)掃描顯示。LED由MAX7219驅(qū)動，DSP的SPI（串行外設(shè)模塊）負(fù)責(zé)和MAX7219之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。MAX7219是一個高性能低價格的多位LED顯示驅(qū)動器，其接口采用流行的同步串行外設(shè)接口（SPI），可同時驅(qū)動8位LED，其片內(nèi)包含有8個顯示RAM和6個特殊功能寄存器，可方便尋址[4]。
本設(shè)計采用符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動芯片MAX232 實現(xiàn)DSP的SCI（串行通信模塊）口和PC機串口之間的串行異步通信。上位機部分采用Visual Basic編寫通信界面。本設(shè)計中上位機主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)起動和停機命令的發(fā)送、調(diào)速時轉(zhuǎn)速（頻率）和磁通的給定以及系統(tǒng)故障顯示等功能。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
DSP實現(xiàn)矢量控制算法的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
圖4 DSP實現(xiàn)異步電機矢量控制結(jié)構(gòu)框圖
軟件設(shè)計時采用模塊化設(shè)計，主要包括主程序模塊和中斷服務(wù)子程序模塊兩部分。主程序模塊主要包括系統(tǒng)初始化和DSP與PC機通信兩部分。其中初始化部分包括硬件初始化和各個矢量控制算法模塊的初始化；中斷初始化；各個控制寄存器置初值；運算過程中使用的各個變量分配地址和設(shè)置相應(yīng)的初值等。
整個矢量控制算法都將在EVA的定時計數(shù)器T1的下溢中斷服務(wù)子程序中實現(xiàn)。T1下溢中斷服務(wù)子程序是整個軟件系統(tǒng)的核心，其流程圖如圖5所示，它主要包括光電編碼轉(zhuǎn)速檢測，相電流檢測，坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)子磁鏈位置計算，電流、速度PI調(diào)節(jié)以及電壓空間矢量SVPWM產(chǎn)生等部分。中斷服務(wù)子程序在每次定時計數(shù)器T1下溢事件發(fā)生之后，都將從主程序的等待循環(huán)中喚醒執(zhí)行。中斷服務(wù)子程序執(zhí)行時，轉(zhuǎn)速（或頻率）和磁通的給定從主程序中讀取。
圖5 T1下溢中斷服務(wù)子程序流程圖
6 實驗結(jié)果及分析
實驗時，電動機轉(zhuǎn)速的階躍給定為1000r/min，電機空載啟動，在t=0.4s時，突加5N●m 的負(fù)載。
圖6中電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速變化相對應(yīng)，電機起動時，起動轉(zhuǎn)矩很大，這是由于電機系統(tǒng)慣性較大，轉(zhuǎn)速不能突變，剛起動時轉(zhuǎn)速反饋為零，轉(zhuǎn)速偏差很大，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器迅速飽和，輸出達(dá)到限幅值，從而使電磁轉(zhuǎn)矩很大。隨著轉(zhuǎn)速的上升，在0.2s 內(nèi)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和，ASR輸出減小，ATR的給定值變小，電磁轉(zhuǎn)矩隨之減小。隨著轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩也趨于穩(wěn)定，由于電機空載運行，電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩很小，接近于零。在0.4s突加負(fù)載時的情況與電機起動時的情形類似，穩(wěn)態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)的電流環(huán)采用了電流跟蹤滯環(huán)比較控制，所以穩(wěn)態(tài)時電磁轉(zhuǎn)矩有一定的脈動。
圖6 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形圖
圖7中，電機起動后，M軸電流很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。在突加負(fù)載瞬間，ism有一個很小的脈動，但是很快又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值，并且基本保持恒定不變，不受負(fù)載變化的影響。從T軸電流波形圖可以看出，ist隨著負(fù)載變化而變化，突加負(fù)載時，ist隨著負(fù)載增大而迅速增大，定子電流的解耦是成功的。
圖7 兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流
7 結(jié)論
利用高性能的電機控制專用DSP芯片TMS320LF2407A的強大運算能力和快速實時處理能力，可使變頻調(diào)速系統(tǒng)中復(fù)雜的控制算法更加容易編程實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明矢量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)調(diào)節(jié)時間較短、超調(diào)量小、抗干擾能力強，完全可以達(dá)到與
直流電機相媲美的調(diào)速性能。
