基于DSP的三相交流异步电动机调速系统的设计

2013-09-04李彩丽刘陆平

机械工程与自动化 2013年5期

关键词：变频波形滤波

易群，李彩丽，刘陆平

（江西交通职业技术学院，江西南昌 330013）

0 引言

交流变频调速系统在现代生产中得到了广泛的应用，其对生产效益的提高、环境的改善、能源的节约都起到了非常重要的作用［1，2］。本文设计了基于DSP TMS320LF2407A的交流电机变频调速系统。

1 系统硬件设计

由异步电动机的转速n＝60f（1－s）／p，n0＝60f／p（其中，f为电源频率，s为转差率，n0为同步转速，p为磁极对数）可知，同步转速n0与定子电流的频率f成正比，若能连续改变电源的频率则可实现连续平滑的无级调速。本系统即是通过整流、逆变来改变电源的电压和频率，从而实现无级平滑调速。

在本系统中，采用TMS320LF2407A为核心控制器，以IGBT功率模块为核心构成系统主电路为系统供电，是系统的电能转换单元。系统电路包括主电路、控制电路、驱动电路、保护电路和各种有用信号的检测电路等［3］。主电路由整流电路、滤波电路、逆变电路和IPM驱动电路组成，如图1所示。

1．1 整流电路

近年来，在交—直—交变频器中，大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，以供给后级的逆变器、斩波器等。根据本设计的需求，该系统采用三相桥式整流电路，将交流电源转变为单方向脉动的直流电，并将其集成在IGBT模块里。

1．2 滤波电路

经过整流电路后，其输出为脉动直流电源，为获得平滑的直流电，需在整流电路的后面加上滤波电路将交流成分滤除，其滤波电路如图2所示。滤波电容除了滤除整流电路的纹波电压外，还在整流电路与逆变电路之间作为耦合作用，消除电路中的干扰，为电动机提供无功功率。

图1 交流电机变频调速系统的主电路组成

图2 滤波电路

1．3 逆变电路

IPM逆变电路是将直流电变为频率、电压均可调节的交流电。主电路工作时，其功率模块IPM的开关频率高，由于电路中电感的存在，在IGBT的集电极C和发射极E会出现高频的尖峰电压毛刺，会损坏到IGBT。因此在逆变桥上还需加上一个缓冲电路，将整流电路与逆变器之间去耦隔离，消除干扰。

1．4 系统保护电路的设计

保护电路在系统中属于弱电部分，其中包括电路过压和欠压保护、限流启动、过流保护和IPM故障保护电路等。本系统保护电路中采用了电压传感器、电流霍尔传感器检测信号，传感器将采集到的信号与给定值相比，若输出故障信号，将其送入到DSP的故障中断入口，进而把SPWM封锁，并断开主回路，起到保护作用。

1．4．1 电流检测

在三相交流异步电动机变频调速系统中，定子电流检测即是将电流信号转变成相应的二进制代码。系统的精度取决于电流信号的精度和实时性，而霍尔式电流传感器具有响应时间短于1μs的特点，如果电路中出现短路状况，也能迅速切断电源，保护IGBT模块。本设计所采用的霍尔电流传感器型号为CSB6－50，其工作电压为±15V，输出电流为0mA～10mA。由于TMS320LF2407片内的ADC模块要求输入0V～3．3V的单极性信号，必须将霍尔传感器输出的小电流信号转换为电压信号，再经放大滤波后送入ADC［4］。电流检测电路如图3所示。

图3 电流检测电路

1．4．2 IPM 的自保护

智能功率模块（IPM）是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内的一种电力集成电路［5］。假如在IPM模块中，产生保护电路动作，其IGBT模块中的栅极驱动单元就会关断门极电流，并且同时输出一个故障信号（FO），从而进行电压欠压保护、过热保护、过流保护以及短路保护。IPM内部保护结构框图如图4所示。

图4 IPM内部保护结构框图

2 系统软件设计

本系统采用DSP自带的汇编语言编写软件CCS编写程序。系统的软件大体分为系统的初始化和控制模块两个部分。控制模块主要包括转速PI控制、SVPWM波形的产生和转速采样。

当DSP定时器的下溢功能产生中断时，此时进入中断服务子程序，其作用是计算出下一个PWM周期的3个比较寄存器的比较值，并且送入到比较寄存器中。其中断子程序流程见图5。其中，Uα、Uβ为空间电压矢量在定子静止α、β轴上的分量，SS、SC为矢量象限符号值，C0、C1、C2为电压空间矢量和，［M］－1为基本矢量矩阵。

图5 中断子程序流程图

经计算可将电压空间矢量分为6个工作扇区并进行判断之后，将PWM周期的比较值CMP＿0、CMP＿0＋CMP＿1、CMP＿0＋CMP＿1＋CMP＿2送入到3个比较寄存器CMPR1、CMPR2、CMPR3，实现PWM 触发脉冲。

3 实验结果

基于以上软、硬件设计，在调试正确的基础上，将异步电机进行开环调速实验，分别给定频率为15Hz、20Hz和50Hz，经示波器采集到的电机的电流波形信号如图6所示。从实验结果可以看出，电流波形的包络线类似正弦波，但是含有谐波分量，产生谐波的原因主要是由于SVPWM波形控制方法本身不可避免地会造成逆变器输出波形有所失真；其次，功率开关器件存在固有的开通与延时时间。