基于DSP的異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：異步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)是在坐標(biāo)變換理論、電機(jī)統(tǒng)一理論和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通過一系列的轉(zhuǎn)換將異步電機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)來控制，利用坐標(biāo)變換將定子電流矢量分解為按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩個(gè)直流分量并分別加以控制，從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。本文應(yīng)用矢量控制的原理，以電機(jī)控制專用的DSP芯片TMS320LF2407為核心，設(shè)計(jì)出基于矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了整個(gè)硬件系統(tǒng)的主電路(整流電路以及口M逆變電路)和控制電路(以DSP芯片為核心的控制電路，以及電流和轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路)。同時(shí)采用一種PWM調(diào)制方法一電壓空間矢量法(SVPwM)來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的控制，提高了能量的利用效率。仿真實(shí)驗(yàn)證明，基于DSP芯片的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)性能優(yōu)良，運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，電機(jī)運(yùn)行噪音小，不失為一套具有先進(jìn)型、新穎性、實(shí)用性的控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)著重進(jìn)行了算法和軟件方面的研究。設(shè)計(jì)了一種新的轉(zhuǎn)子磁鏈位置的計(jì)算方法，并應(yīng)用于異步電機(jī)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，保證了Park變換和逆變換的快速性和準(zhǔn)確性。文中設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主程序和各中斷子程序，以及SVPWM子程序中各模塊的算法和程序。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠有效的控制電機(jī)的運(yùn)行。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；異步電機(jī)；矢量控制；變頻調(diào)速系統(tǒng)Abstract:Vectorcontrolsystemofinductionmotorisbasedonvectorcoordinatetransformationtheory,motorunificationprincipleandenergyconversion11lestatorcurrentisdecomposingtwoDCpartswhichorientatedastherotatormagneticfieldandcontrolledrespectivelybytransformingcoordinateSomagneticfluxandtorquearedecoupledItcontrolstheasynchronousmotorasasynchronouswayUsingdigitalsignalprocessor(DSP)，TMs320u2407，whichisspecialformotorcontrol，wedevelopasuitofspeedadjustable，speedreliableandhighlyeffectiveinductiondrivebasedonFOCprincipleRealizationofthemaincircutandthecontrolcircutisdescribedAtthesametime，anewPulseWidthModulation(PWM)namedSpaceVectorPulseWidthModulation(svewM)methodisintroducedwhichismoreeffectiveBasedonhardwaredesign,thispaperalsoillustratedbothalgorithmandsoftwaredesignNotonlyitintroducedthemainprogramandsuspendedprogram，butalsohoweachmodelofSVPWMprogramworkedMoreimportantly,thispaperdevelopedanewmethodofcalculationoffluxlinkage，whichensurestheaccuracyandefficiencyofParktransformTheresultsshowsthatcanbeusedtocontrolthemotorsuccessfullyKeywords：AsynchronousmotorVectorcontrolSpaceVectorPulseWidthModulation一、引言現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)控制中，長期以來存在著交流調(diào)速和直流調(diào)速方案之爭(zhēng)，早在19世紀(jì)末，電力系統(tǒng)中就有過交流供電和直流供電之爭(zhēng)，結(jié)果經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論，由于三相交流電的發(fā)明，使電力系統(tǒng)的交流化取得了勝利。在電力電子技術(shù)發(fā)展之前，直流電機(jī)幾乎占?jí)艛嗟匚?。?duì)于直流電機(jī)，只要改變電機(jī)的電壓或者是勵(lì)磁電流就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速，且電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩容易控制，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。但是直流電動(dòng)機(jī)也有其本身固有的缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，價(jià)格高；電刷易磨損，維修不方便；對(duì)環(huán)境要求高，不適合用于易燃、易爆及有腐蝕性氣體的場(chǎng)合；這些都與現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)要求的可靠性、可使用性、可維護(hù)性相矛盾，因此直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代電氣傳動(dòng)的要求了。交流電動(dòng)機(jī)特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，制造方便，價(jià)格低廉，容量沒有限制，而且維修方便，對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)交流電機(jī)本身是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，其可控性較差。而隨著現(xiàn)代交流電機(jī)的調(diào)速控制理論和電力電子變流技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速取得了突破性的進(jìn)展，電氣傳動(dòng)交流化的時(shí)代隨之到來。70年代矢量控制理論的引入使交流調(diào)速實(shí)用化。相繼各類全控型器件層出不窮，變頻調(diào)速技術(shù)日新月異。從生產(chǎn)到日用家電涉及方方面面，已進(jìn)入一個(gè)高科技應(yīng)用時(shí)代，使工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了很大的變革。變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)的主要發(fā)展方向，它在節(jié)電、提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等方面，是基本技術(shù)之一，其重要性日趨增強(qiáng)。特別是在電力電子、微電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，各種電力器件SCRGTRGTOIGBT以及GTO+IGBT的復(fù)合器件的開發(fā)，使變頻調(diào)速技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。交流變頻調(diào)速技術(shù)已成為調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)的主流。近10年來，隨著矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速的性能達(dá)到和超過了直流調(diào)速，電機(jī)的交流調(diào)速價(jià)格己與直流接近或相當(dāng)。因此，出現(xiàn)了以交流取代直流的趨勢(shì)。國外基本上已全部采用交流調(diào)速，雖還貴一點(diǎn)，但能從減小維護(hù)和停機(jī)時(shí)間中得到補(bǔ)償。我國目Ijf直流還占一定的比例，但許多新上的項(xiàng)目己要求變頻調(diào)速。80年代初矢量控制進(jìn)入實(shí)用階段，經(jīng)過二十多年工業(yè)實(shí)踐的考驗(yàn)、改進(jìn)與提高，目前已達(dá)到成熟階段。但其也有不足之處，即需要進(jìn)行計(jì)算量大的坐標(biāo)變換，并且變換復(fù)雜、從而限制了它的發(fā)展與應(yīng)用。但隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)運(yùn)行的速度越來越快、精度越來越高、功能越來越多，它己能夠完成交流調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜的控制任務(wù)。特別是在1982年美國德州儀器公司(TexasInstruments)成功推出DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)以后，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，概括起來具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：(1)在一個(gè)指令周期內(nèi)可以完成一次乘法和一次加法。(2)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。(3)具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。(4)可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。(5)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)。(6)支持流水線操作，使取指令、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊進(jìn)行。本課題以DSP和智能功率模塊(IPM)及異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)為研究對(duì)象，以空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)為控制算法，設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字化的變頻調(diào)速系統(tǒng)，具有一定的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。二、電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況近年來，交流調(diào)速中最活躍，發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速技術(shù)是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主要內(nèi)容。上個(gè)世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得容易，從而造就了一個(gè)龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變得可調(diào)了，從而可以充分利用這一極為有用得資源。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動(dòng)關(guān)系到合理地使用電動(dòng)機(jī)以節(jié)約電能和控制機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(位置、速度、加速度等)，實(shí)現(xiàn)電能一機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。電氣傳動(dòng)分成不調(diào)速和調(diào)速兩大類，調(diào)速又分為交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。不調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接由電網(wǎng)供電，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展這類原本不調(diào)速的機(jī)械越來越多地改用調(diào)速傳動(dòng)以節(jié)約電能，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量。在我國60的發(fā)電量是通過電動(dòng)機(jī)消耗掉的，因此調(diào)速傳動(dòng)是一個(gè)重要行業(yè)，一直得到國家重視。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個(gè)世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)，人為地可以改變電壓的大小，從而造就了一個(gè)龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，而變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。我國是一個(gè)發(fā)展中國家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達(dá)國家。至今自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品在國際上只相當(dāng)于上世紀(jì)80年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，形成了一個(gè)既對(duì)國內(nèi)企業(yè)，也對(duì)國外公司敞開的巨大市場(chǎng)。很多最先進(jìn)韻產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，在我國運(yùn)行良好，滿足了我國生產(chǎn)和生活的需要。國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今國際上先進(jìn)的產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部門在自行設(shè)計(jì)制造的成套裝置中采用外國進(jìn)口公司和合資企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，并且自己開發(fā)應(yīng)用軟件，為國內(nèi)外重大工程項(xiàng)目提供一流的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。雖然在很多方面取得很大成績，但還存在國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對(duì)國外公司的依賴性嚴(yán)重的問題。從總體上看我國電氣傳動(dòng)的總體水平較國際先進(jìn)水平差距l(xiāng)O15年。在大功率交一交、無換向器電機(jī)等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當(dāng)?shù)牟罹?。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機(jī)組啟動(dòng)及運(yùn)行、大容量風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)、礦井卷揚(yáng)方面有很大的需求。在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所以的產(chǎn)品都是普通的VF控制，僅有少量的樣機(jī)采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場(chǎng)的需要，每年大量進(jìn)口。交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流、逆變)，又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)可分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要解決(基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略)的軟硬件開發(fā)問題(在目前狀況下主要是全數(shù)字控制技術(shù))。目前主要發(fā)展方向有以下幾項(xiàng)：(1)實(shí)現(xiàn)高水平的控制；(2)開發(fā)清潔電能的變流器；(3)縮小裝置的尺寸；(4)高速度的數(shù)字控制：(5)模擬與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)。21電力電子器件電力半導(dǎo)體器件是以美國1956年生產(chǎn)硅整流管(SR)、1958年生產(chǎn)晶閘管(SCR)為起始點(diǎn)逐漸發(fā)展起來的。經(jīng)過了40多年的發(fā)展，在器件制造技術(shù)上不斷提高，已經(jīng)歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關(guān)斷晶閘管(GTO)、巨型晶體管(GTR)、功率MOSFET、絕緣柵雙極品體管(IGBT)為代表的功率集成器件(PID)，以智能化功率集成電路(SPIC)、高壓功率集成電路(HVIC)為代表的功率集成電路(PIC)等三個(gè)發(fā)展時(shí)期。從品閘管靠換相電流過零關(guān)斷的半控器件發(fā)展到P1D，PIC通過門極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件。在器件的控制模式上，從電流型控制模式發(fā)展到電壓型控制模式，不僅人大降低了門極(柵極)的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件的工作頻率由工頻一中頻一高頻不斷提高。在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件，發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級(jí)模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測(cè)電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。功率集成器件從單一器件發(fā)展到模塊的速度更為迅速，今天己經(jīng)開發(fā)出智能化功率模塊(IPM)。22微處理器的發(fā)展早期電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)完全由模擬電子器件構(gòu)成，調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整困難，受外界環(huán)境的影響很大，因而對(duì)控制對(duì)象的適應(yīng)能力差，難于適應(yīng)各種新型控制策略和控制方法111。另外，由于模擬器件的集成度不高，這樣就使得整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，從而影響控制裝置的可靠性。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的功能不斷提高，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域出現(xiàn)了以微處理器為核心的微機(jī)控制系統(tǒng)。微機(jī)控制在初始階段需要配置大量的外圍接口，以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。為了適應(yīng)這種需要，一些公司在單塊芯片上直接集成這些外圍接口，構(gòu)成單片機(jī)。單片機(jī)自問世以來，就得到了飛速發(fā)展，以Intel公司為例，早期推出MCS-48系列單片機(jī)，該單片機(jī)功能簡(jiǎn)單，尋址范圍有限，性能較差，隨之被稍后推出的MCS51系列單片機(jī)所取代。MCS51系列單片機(jī)功能較強(qiáng)，尋址范圍達(dá)到64K，有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)，片內(nèi)帶有串行IO口，16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，這些性能基本能夠滿足一般控制系統(tǒng)的需要，故這類單片機(jī)仍是目前應(yīng)用最為廣泛的一種單片機(jī)。雖然MCS51單片機(jī)目前應(yīng)用得最為廣泛，但在一些比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，由于受計(jì)算速度和計(jì)算精度的影響，它不得不讓位于16位單片機(jī)。MCS96系列16位單片機(jī)具有豐富的硬件資源和軟件資源，特別是在其CPU中不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器一寄存器結(jié)構(gòu)，CPU操作直接面向256字節(jié)寄存器，消除一般CPU結(jié)構(gòu)中存在的累加器瓶頸效應(yīng)；尤其80C196MC型單片機(jī)內(nèi)置的波形發(fā)生器可直接輸出三相脈寬調(diào)制波形，特別適用于變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)。雖然MCS96單片機(jī)性能優(yōu)越，但當(dāng)用于需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理或浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)則略有遜色。80年代初期出現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)既增強(qiáng)了微處理器的數(shù)據(jù)處理能力，提高了精度，又在片內(nèi)集成了大量的外圍接口，因而在控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。DSP通常采用哈佛結(jié)構(gòu)，將程序存儲(chǔ)空間與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開，并且各自擁有自己的數(shù)據(jù)總線和地址總線；采用流水線技術(shù)，使得指令處理的平均速度大大提高；內(nèi)部增設(shè)專門的硬件乘法器，并將硬件乘法器與累加器以流水線方式連接，從而可以高速連續(xù)進(jìn)行乘法和累加運(yùn)算。DSP在提高速度的同時(shí)，片內(nèi)集成了越來越多的外圍接口，從而大大提高其功能，有些公司還設(shè)計(jì)專用的DSP，應(yīng)用于各種不同的控制場(chǎng)合，本系統(tǒng)即選用11公司的電機(jī)控制專用芯片TMS320LF2407型D