基于DSP电机调速系统

肖乾湘

摘 要 基于DSP电机调速系统中，电机的转速响应快，转矩的波动小，超调量小，动态性能和静态性稳定。该仿真是对该调速系统设计思路的验证，结果证明设计思路是可行的，在实际系统设计中可以以该仿真为依据，进行硬件电路的搭建和控制程序的流程设计。

关键词 DSP 调速系统 电路 仿真

中图分类号：TM3 文献标识码：A

1电机调速系统简介

1.1电机生产中的分类

机械生产中广泛使用了两种技术：第一种是不改变同步转速的方法，其中又分为了转子串电阻调速、斩波调速、串级调速、应用电磁砖差离合器（又如液力偶合器、油膜离合器）等调速方式。第二种是改变同步转速的方法，改变定子极对数的多速电动机，其中又分为改变定子电压、频率的变频调速。

1.2电机方式的分类

从调速的方式来看电机调速分为调压调速、变极调速、变频调速、电磁调速。

（1）调压调速顾名思义，就是变动电动机的定子电压实现调速的目的。调压调速时对于单相电动机来说电压是在0-220V之间的电压值；對于三相电动机来说电压是在0-380V之间变化的。调压调速方式的优点在于调速过程中产生的转差能量再次循环利用使得这种方式效率高，缺点在于功率因素较低，并且有谐波干扰、运行时没有制动转矩一般用于单象限运行的负载。

（2）变极调速的定义是改变电动机定子绕组的接线方式来变动电动机磁极的对数，进而逐步有级的变化同步转速来实现电动机转速有级地调速。变极调速的电动机产品比较定型，例如单绕组多速电动机。变速调速电动机的优点在于没有附加的差基损耗、效率高，并且控制电路很简单、便于维修、制作成本低，还可以与定子调压或者电磁转差离合器组合使得效率提高。

（3）变频调速，就是用改变异步电动机定子端输入电源的频率使之连续可调来改变它的同步转速，实现电动机调速的方法。变频电机是最节能高效的电机，其优点在于无附加转差损耗，效率高，调速范围广。在低负载运行的时间较长，或者起停运行较频繁的场合可以有节电保护电机的作用。缺点是技术相对复杂，成本较高。

（4）电磁调速就是通过电磁转差离合器来实现调速的目的。电磁调速异步电动机俗称滑差电动机，是一种比较简单可靠的交流无极调速设备。这种电动机采用组合式结构，由拖动电动机、电磁转差离合器和测速发电机等组成，测速发电机是作为转速反馈信号源供控作用。这种电动机的无极调速是通过电磁转差离合器来实现的。其优点在于结构较简单，控制装置容量小，成本便宜，并且运行可靠维修简单，没有谐波干扰。缺点在于速度损失较大，效率比较低。

2三相交流电机

2.1 三相同步电机

直流电机中，用换向器绕组代替转子绕组，可以使定子磁场与转子磁场相对静止，产生恒定的电磁转矩，从中我们想到，将电机定子绕组改造成三相对称绕组A-X、B-Y、C-Z，在这个系统中三相对称绕组中通入三相对称正弦电流，就会产生幅值恒定的旋转磁场，其转速等于相电流的角频率。将转子绕组嵌入转子槽中，做成分布绕组，将此分布绕组作为励磁绕组，通入励磁电流，这时在气隙中就会产生正弦分布且幅值恒定的励磁磁场，之后它随着转子一起旋转。

定子磁场和转子磁场相互作用，之后形成电磁转矩。定子旋转磁场速度ws和转子速度wr的大小决定了这两个磁场轴线间的电角度，当ws=wr，时，这个电角度为常数，两个磁场的相对位置不变，产生恒定的电磁转矩。三相同步电机稳态工作时，定子旋转磁场幅值恒定，在励磁绕组中不会产生电动势。但转子磁场在定子绕组中却会产生电动势。

同步电机中转子线圈与定子线圈的等效励磁电感相等，用Lm来表示，再用Is表示定子电流，用If表示分布绕组中的励磁电流，用 表示定子旋转磁场在d-q坐标系中的空间相位，则电磁转矩te可由下面公式计算得到：

te= - IsIfLmsin （1）

式（1）中的负号表示电磁转矩的方向应使 减小。用 f表示励磁绕组磁链，其大小为：

f=LmIf （2）于是，式子（1）又可以改为：

te= fIssin （3）

2.2 三相异步电机

2.2.1 三相异步电机的历史

在说三相异步电动机之前，我们先说电动机的历史。直流电机和交流电机相继诞生于19世纪，拿直流电动机和交流电动机想对比的话，直流电机的转矩更加容易控制，并且直流调速系统具有起、制动性能较好，调速范围广，静差小及稳定性能好等优点，因此作为调速系统的首选机型。随着工业的发展，由于直流电动机内部采用的是机械式换向器，所以大功率高速度的直流电动机设计起来极其复杂，而复杂的设计又造成了价格方面的昂贵以及维护方面的麻烦，在特大功率，超高速度的场合中直流电动机甚至根本无法设计使用使得人们技术突破造成了瓶颈。

随着现代控制理论的发展，电力电子技术的突破以及微机控制的出现，交流电机的速度控制在理论上得到验证，在实际应用中得到了技术上的支持，控制技术越来越成熟，调速性能已经能和直流电机相媲美，应用范围甚至超过了直流电机，并且伴随着交流电动机的先天优势：结构比较简单、制造成本比较低、维护起来也较为经济，交流调速系统的客观发展趋势已经说明总有一天直流电机会完全被交流电机取代。

三相异步电机是当今应用最广泛的交流电机之一，因此对它的控制策略与如何节约能源相结合的研究对基础工业自动化而言具有举足轻重的意义。

2.2.2 三相异步电机的试验内容

这次主要的研究课题就是基于TMS320LF2407A电机数字控制DSP芯片的空间矢量模糊调速系统的研究。本次研究我们运用了磁场定向技术、矢量控制理论、SVPWM算法以及模糊控制理论，并由Simulink的仿真来证实该系统动、静态性能好，稳定性高、鲁棒性强、抗干扰能力强等等特点。

（1）矢量控制技术简介

为了使非线性，强耦合的三相异步电机获得较高的动态调速性能，研究人员于上世纪70年代提出了基于转子磁场定向技术的矢量变换方法，即利用坐标变换的方法把三相静止坐标系下的定子电流、电压和主磁链，变换到以转子磁场定向的两相旋转坐标系下，这样，定子电流就被分解成了励磁电流和转矩电流两个分量，矢量控制的基本思想就是通过对这两个电流分量的相位和幅值分别进行控制来实现对电机转矩的控制。实质上而言，矢量控制技术所包含的主要内容是电机等效电路，磁链方程，转矩方程以及坐标变换。

（2）SVPWM算法

空间矢量脉宽调 （Space Vector Pulse Width Modulation）简称为SVPWM，它是基于如何使三相异步电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场为思路而产生的电机控制算法。SVPWM的总体构想是在一个控制系统中把逆变器和电机当做一个整体来考虑，因此对按照这种设想来建立的数学模型进行分析比较简单，实时控制起来也比较方便，实际系统中输出电压和电流中产生的谐波少，并且从节能方面来考虑，相比起传统的SPWM算法而言，SVPWM算法的电压利用率也要高出15%。

（3）模糊控制理论

模糊控制理论最早是在1965年就由美国学者L.A.zadeh首先提出，经过多年研究之后在1973年他又给出了模糊逻辑的定义和相关定理。到了1974年，英国学者E.H.Mamdani首先尝试利用模糊控制语句构造模糊控制器，并将它用在锅炉和蒸汽机的控制上，这一次尝试不仅取得了成功，而且这一历史性的创举标志着模糊控制理论的诞生以及运用。模糊自动控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机或者微机数字控制，在实质上它是一种非线性控制，从属于智能控制理论的范畴，并且具有系统化的理论基础，同时还具有大量的实际应用。模糊控制理论发展至今已经40多年了，不管是在理论上还是在技术上都有了飞速发展，因此它成为了自动控制领域最有成果的分支之一。

2.2.3 三相异步电机的DSP结构

用霍尔器件测量逆变器输出的定子电流iA、iB经过DSP的A/D转换器变化为数字量的，并且利用式子ic=-（iA+iB）来算ic，再通过Clarke和Park变换把电流由iA、iB、ic变换成旋转坐标系中的各个直流分量作为电流环的负反馈量。由于异步电动机的转子机械转速与转子磁链转速不同步，所以用电流一磁链位置转换模块求出转子磁链位置，用于参与Park变换和逆变换的计算。给定转速n`与转速反馈量n的偏差经过速度PI调节器，其输出作为用于转矩控制的电流T轴参考分量iT`。iT*和iM* （等于零）与电流反馈量iT、iM的偏差经过电流PI调节器，分别输出M、T旋转坐标系的相电压分量V M*和V T*。V M*和V T*再通过Park逆变换转换成 、 直角坐标系的定子相电压矢量的分量V *和V *。当定子相电压矢量的分量V *、V *和其所在的扇区数已知时，就可以利用电压空问矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器。以上操作完全可以全部采用软件来完成，从而实现三相异步电动机全数字实时控制。

2.2.4 三相异步电动机的软件设计

我们用TM320LF240DSP实现转子磁场定向的矢量控制算法来设计，这个系统是包括系统主程序和中断服务子程序构成的。主程序主要完成DSP芯片的控制系统初始化部分，可以用C语言进行编程来提高程序的可读性；中断服务程序时完成矢量控制算法的主要部分，其采用了DSP的汇编语言编程来满足系统对实时性的要求。

2.2.5 系统的仿真

转速阶跃给定为1500r/min，直接启动电机，在2s、4s、6s、8s负载为：20N·m、15N·m、25N·m、20N·m。仿真表明，系统的动态响应快、超调量小及抗干扰能力强。

综上所述，以上结果可以看到该电机速度控制系统中电机的转速响应快，转矩的波动小，超调量小，动态性能和静态性稳定。该仿真是对该调速系统设计思路的验证，结果证明设计思路是可行的，在实際系统设计中可以以该仿真为依据，进行硬件电路的搭建和控制程序的流程设计。

参考文献

[1] 李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京：机械工业出版社，1999.

[2] 宫鑫，宋稳力.基于TMS320F28335的三相PWM整流器设计与实现[J].机械与电子，2008.（03）：75-77.

[3] 雷军. 基于DSP+MCU的电机微机保护装置的研制[D].长沙：中南大学，2007.

[4] 王晓明，王玲. 电动机的DSP控制-TI公司DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[5] 赵亮. 交流电动机的调速系统分析[J].电脑知识与技术，2013.1222-1223.