基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统设计与实现.docx

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1、基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统设计与实现基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统设计与实现dujing导语：一个三相异步电动机矢量控制变频调速系统。实验结果说明整个系统动态响应快，超调量小，稳态精度高。摘要：以三菱公司的智能功率模块PM25RSB-120作为主电路核心，TI公司的TMS320LF2407ADSP芯片作为控制电路核心，设计了一个矢量控制变频调速系统。实验结果说明整个系统动态响应快，超调量小，稳态精度高。关键词：DSP；三相异步电动机；智能功率模块；矢量控制中图分类号：TP273文献标识码：ADesignandRealizationonVectorControlSystemo

2、fThree-phaseAsynchronousMotorBasedonDSP罗辉1胡泽1王文静2石磊11.西南石油大学2.中石化西北油田分公司LUOHuiHUZeWANGWen-jingSHILeiSouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500Abstract：WedesignavectorcontrolsystemofThree-phaseAsynchronousMotorbytakingthePM25RSB-120IPMofMITSUBISHITMS320LF2407ADSPofTIasthekeycontrollerofthemaincircuit

3、andcontrolcircuit.Theexperimentalresultsshowthatthewholesystemrunwellwithquickdynamicresponse,smallovershootsandhighaccuracyofsteady-state.Keywords：DigitalSignalProcessor;Three-phaseAsynchronousMotor;IntelligentPowerModule;VectorControl1前言在石油石化行业，石油钻井中的钻机，消费现场的抽油机、风机、水泵、输油泵和泥浆泵等电机的运行都要消耗大量的电能，怎样充分合理

4、地利用电能显得非常重要。而采用变频调速技术后，节能效果非常明显。新疆克拉玛依油田多处输油泵采用变频调速装置，如采油三厂在输油泵上应用一台变频器，运行后效果良好，经仪表测试，采用变频调速后，有功节电为65.73%，无功节电为78.79%，功率因数到达0.99。据实际运行统计，变频调速输油节电率为46.83%，316天后可收回全部投资。湖南长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵采用100kVA变频器后，输出功率由18.6kW降至7.2kW，节电61.3%3。在我国，异步电机的变频调速系统有宏大的市场潜能。本文以TMS320LF2407ADSP芯片为控制核心对高性能矢量控制变频调速系统进展了硬件和软件设计

5、，最后对整个系统进展了实验研究。2异步电机的矢量控制技术异步电机在三相静止坐标系下的数学模型很复杂，关键是由于其复杂的磁链关系。因此，要简化数学模型，必须通过坐标变换将异步电机的数学模型从三相静止坐标系上变换到两一样步旋转坐标系上。从三相静止坐标系ABC坐标系到两相静止坐标系0ab坐标系的变换称为Clarke变换，从两相静止坐标系到两一样步旋转坐标系OMT坐标系的变换称为Park变换。矢量控制也叫磁场定向控制，通过坐标变换，在两一样步旋转坐标系上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量ism和产生转矩的转矩电流分量ist，并使两分量相互垂直，彼此独立，然后分别进展调节。这样，沟通电动机的转矩控

6、制，从原理和特性上就与直流电动机相似了，这就是矢量控制的核心思想1。3系统组成基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统构造图如图1所示。它包含主电路、控制电路和保护电路三大局部，详细由整流滤波模块、逆变模块、IPM保护模块、三相异步电动机、电压、电流和转速检测模块、显示模块、主控制模块、DSP与PC机通信模块等组成。图1基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统构造框图系统主电路采用典型的交直交电压型变频器构造。整流环节采用三相桥式不可控整流模块，逆变电路采用三菱公司的智能功率模块IPMPM25RSB-120作为功率器件，中间直流环节利用大电容滤波。系统控制电路包含两个局部，即TMS320LF240

7、7ADSP核心电路和基于核心电路的外部扩展电路。DSP核心电路负责整个系统的控制和详细的算法实现功能，外部扩展电路主要完成电压、电流和速度信号的检测，数据显示和DSP与PC机通信等功能，并对IPM发出的各种故障信号进展综合处理形成总的故障信号送入TMS320LF2407A的故障中断入口。上位机PC机局部采用VisualBasic编写通信界面，主要负责转速频率和磁通的给定和调速系统故障显示等功能。4系统硬件设计4.1主电路设计主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路三局部。整流电路选用日本富士公司的6RI15G-12015A、1200V三相全桥整流模块。滤波电容值理论上越大越好，考虑到体积和价格，

8、选用两个1000F/450V的电解电容相串联，总耐压值为900V，电容量为500F。逆变电路选用日本三菱公司的第三代智能功率模块IPM，型号为PM25RSB-12025A、1200V，其内部本身就集成了过压、欠压、过流、过热和短路等的输出报警功能。PM25RSB-120有两个直流输入口P，N，三个沟通输出口U，V，W，一个泵升制动口B和19个控制输入口。TMS320LF2407A产生的六路PWM信号经过东芝光耦隔离器TLP521后输入到PM25RSB-120的UP、VP、WP和UN、VN、WN控制引脚，分别控制三相逆变桥的上、下桥臂的导通与关闭。三相整流桥输出的直流电压信号经P、N端子输入到P

9、M25RSB-120中。图2IPM逆变电路当IPM出现故障时，UFO、VFO、WFO和FO口发出故障信号；对这些信号进展综合处理后形成总的故障信号，并将其送入TMS320LF2407A的口，及时封锁DSP的PWM口，对整个系统进展保护。IPM的驱动电源必须采用四组+15V的隔离电源。上桥臂每相各用一组电源，三个下桥臂和泵升电压控制共有一组，各驱动电源上连接的10F和0.1F电容是从电源到IPM之间布线阻抗的退耦。IPM逆变电路图如图2所示。4.2控制电路设计TI公司的TMS320LF2407ADSP控制器是性能很好的数字电动机控制芯片，作为一种专门面向数字控制系统的通用可编程微处理器，它既集成

10、了极强的数字信号处理才能，又集成了数字控制系统所必需的输入、输出、A/D转换和事件捕捉等外设2。控制电路由两块PCB板组成，DSP核心电路组成一块PCB板，基于DSP核心电路的外部扩展电路组成另外一块PCB板。本设计中，控制电路主要完成电压、电流和速度信号检测，DSP与PC机通信，数据显示和故障信号综合处理等功能。本设计选用华南理工大学科技开发公司提供的CHB5-P型霍尔电流传感器来检测电流，它的工作电压为15V，可以测量10A之间的电流，输出电流的最大值为10mA。TMS320F2407A内带有10位A/D转换器，每个A/D转换器的最快转换时间是375ns。在检测定子电流时，需要进展A/D转

11、换的量为两路输入电流，因此需要2个通道并行转换完成信号的传输。图3电流检测及信号调理电路图如图3示，的一路输出信号经过电阻R26后转换成相应的双极性电压信号Ua；Ua经过电平偏移放大电路后变成单极性的电压信号U2，该信号可以直接送入DSPA/D转换器的第0通道进展电流采样。本设计中电平偏移放大电路由双运算放大器LM358、电阻R27、R28、R30和LM366组成。LM366是可以提供2.5V基准电压U0的电压基准芯片，二极管D6、D7组成限幅电路，保证了DSP的输入在03.3V之间。在本设计中，A/D转换基准电压为3.3V，它由TI公司的电平转换芯片REF3033提供，REF3033是一个高

12、精度电压基准芯片，误差为0.2，输出电流最大为25mA。本设计采用欧姆龙公司的OVW2-2048-2MD型旋转编码器进展转速检测，它由+5V供电，有A、B和Z相三路输出。其中A与B用于测速，它们的相位差为90度，每转一圈输出2048个脉冲；而Z脉冲为每转一圈输出一个脉冲，用于基准点定位。旋转编码器的A、B相输出经过高速光耦隔离，接到DSP的增量式光电编码器接口QEP引脚，通过对脉冲的计数就可以计算电机实测转速。电动机实测转速由4位共阴极LED数码管显示，显示方式采用动态扫描显示。LED由MAX7219驱动，DSP的SPI串行外设模块负责和MAX7219之间进展数据通信。MAX7219是一个高性

13、能低价格的多位LED显示驱动器，其接口采用流行的同步串行外设接口SPI，可同时驱动8位LED，其片内包含有8个显示RAM和6个特殊功能存放器，可方便寻址4。本设计采用符合RS-232标准的驱动芯片MAX232实现DSP的SCI串行通信模块口和PC机串口之间的串行异步通信。上位机局部采用VisualBasic编写通信界面。本设计中上位机主要负责系统起动和停机命令的发送、调速时转速频率和磁通的给定和系统故障显示等功能。5系统软件设计DSP实现矢量控制算法的构造框图如图4所示。图4DSP实现异步电机矢量控制构造框图软件设计时采用模块化设计，主要包括主程序模块和中断效劳子程序模块两局部。主程序模块主要

14、包括系统初始化和DSP与PC机通信两局部。其中初始化局部包括硬件初始化和各个矢量控制算法模块的初始化；中断初始化；各个控制存放器置初值；运算经过中使用的各个变量分配地址和设置相应的初值等。整个矢量控制算法都将在EVA的定时计数器T1的下溢中断效劳子程序中实现。T1下溢中断效劳子程序是整个软件系统的核心，其流程图如图5所示，它主要包括光电编码转速检测，相电流检测，坐标变换，转子磁链位置计算，电流、速度PI调节和电压空间矢量SVPWM产生等局部。中断效劳子程序在每次定时计数器T1下溢事件发生之后，都将从主程序的等待循环中唤醒执行。中断效劳子程序执行时，转速或者频率和磁通的给定从主程序中读取。图5T

15、1下溢中断效劳子程序流程图6实验结果及分析实验时，电动机转速的阶跃给定为1000r/min，电机空载启动，在t=0.4s时，突加5Nm的负载。图6转子转速和转矩波形图图7两一样步旋转坐标系下的定子电流图6中电磁转矩与转速变化相对应，电机起动时，起动转矩很大，这是由于电机系统惯性较大，转速不能突变，刚起动时转速反应为零，转速偏向很大，转速调节器迅速饱和，输出到达限幅值，进而使电磁转矩很大。随着转速的上升，在0.2s内转速超过设定值，转速调节器退饱和，ASR输出减小，ATR的给定值变小，电磁转矩随之减小。随着转速的稳定，转矩也趋于稳定，由于电机空载运行，电机输出电磁转矩很小，接近于零。在0.4s突

16、加负载时的情况与电机起动时的情形类似，稳态时，电磁转矩等于负载转矩。系统的电流环采用了电流跟踪滞环比拟控制，所以稳态时电磁转矩有一定的脉动。图7中，电机起动后，M轴电流很快到达稳态值。在突加负载瞬间，ism有一个很小的脉动，但是很快又恢复到稳态值，并且根本保持恒定不变，不受负载变化的影响。从T轴电流波形图可以看出，ist随着负载变化而变化，突加负载时，ist随着负载增大而迅速增大，定子电流的解耦是成功的。图8PWM1和PWM2引脚波形图9PWM1和UP引脚波形当给定频率为40Hz时，用示波器实测DSP的PWM1PWM6各管脚的输出控制波形。图8为PWM1和PWM2引脚的输出控制波形，图9为PW

17、M1和UP信号输出波形。从图8可以看出二者幅值一样，相位相反，二者的波形之间有死区时间；从图9可以看出二者幅值上不同，相位一样。各输出波形均与理论波形相吻合。7结论利用高性能的电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A的强大运算才能和快速实时处理才能，可使变频调速系统中复杂的控制算法更加容易编程实现。实验结果说明矢量控制系统稳态精度高，动态调节时间较短、超调量小、抗干扰才能强，完全可以到达与直流电机相媲美的调速性能。参考文献 1陈伯时.电力拖动自动控制系统.第三版.北京：机械工业出版社，2003.40-42，100-111，145-214 2王晓明，王玲.电动机的DSP控制TI公司DSP

18、应用.北京：北京航空航天大学出版社，2004.120-184 3吴忠智，吴加林.变频器应用手册.北京：机械工业出版社，2005.556-557 4王建华等.MAX7219原理及其应用.电子技术，2003，12：36-38 5刘和平，严利平，张学锋等.TMS320LF240xDSP构造、原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2002.5-197 6洪乃刚.电力电子和电力拖动系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社，2005.107-152 7韩会山.基于DSP的异步电动机矢量控制系统设计与实验研究.燕山大学硕士学位论文.2005：19-28 8Bose/B.K./王聪等译.当代电力电子学与沟通传动.北京：机械工业出版社，2005.205-271 9DatasheetofPM25RSB-120.MITSUBISHIElectric.1998第一作者简介罗辉，男，西南石油大学电信院硕士研究生，主要研究方向：智能化仪器和计算机测控；作者联络信息单位：西南石油大学稿件名称：基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统设计与实现：610500通信地址：四川省成都市新都区西南石油大学研究生部硕士2005级4班收信人：罗辉：13880267853028-83030525E-mail：luohui220163