异步电机的变频调速系统设计

邱雄迩，林立，李辉

(邵阳学院 电气工程系，湖南 邵阳，422000)

异步电机的变频调速系统设计

邱雄迩，林立，李辉

(邵阳学院 电气工程系，湖南 邵阳，422000)

以DSP2812为控制器、三相交流异步电动机为被控对象，设计了一个通用型变频调速系统，实验表明了对交流异步电机系统进行了变频调速控制，运行稳定，实现频率1～50Hz范围内的控制，步进频率1Hz。

DSP2812；异步电动机；变频器；矢量控制

交流变频调速技术自20世纪60年代取得突破性发展以来，一直受到业界的高度关注。随着计算机技术、传感技术、电力电子技术的发展，交流电机的速度控制也随着数字化高效能微处理器的应用，迅速全面进入数字化阶段。以各类电力电子器件构成的变频器驱动交流电机的调速系统以其控制精度高、调速范围广、响应迅速、保护功效好、抗过载能力好、节能效果显著、使用维护方便等优点，已经广泛的用于机械、冶金、化工、石油、纺织、造纸、水泥、船舶、铁路等行业等国民经济领域。

本文以DSP2812为控制器、三相交流异步电动机为被控对象，设计了一个通用型变频调速系统，并研究了其工程实现。

1 系统硬件设计

1.1 控制系统硬件电路

图1为设计的交直交电压型变频控制系统结构图，设计的主电路中包含整流、滤波和智能IPM模块三相逆变电路三部分电路。微处理器采用德州仪器公司的32位定点芯片TMS320F2812，同时也是整个系统硬件电路的关键器件，软件用高级语言C语言进行编程，组成一个全数字式矢量控制系统。系统给定参数值由上位机通过RS-232/485串行通信接口下传给DSP2812， DSP2812主要接受三相电流采样信号、电机位置信号和光电编码器的转速测量信号通过模数转换后的数字信号并进行计算，采用矢量算法得出控制策略， 再将控制策略输出为六路控制的PWM信号，PWM控制信号再经光电耦合器隔离， 然后驱动六个IPM模块构成的三相逆变电路来控制异步电机[1-4]; 同时本系统也是一个转速负反馈闭环系统。如果系统发生故障，DSP2812发出信号封锁PWM信号输出。

图1 控制系统结构图Fig.1 Structure schematic diagram of control system

1.2 驱动电路

本设计选用了IR公司生产的IR2110S用于本系统的驱动。驱动电路如图2所示。本设计采用三片IR2110S驱动芯片，从控制电路中DSP2812的GPIO口产生PWM1～PWM6六路脉冲分别输入IR2110S驱动芯片的HIN和LIN引脚，经驱动后驱动6个IGBT的通断。IR2110S栅极驱动器用来驱动一个高压侧和一个低压侧的IGBT。同时IR2110S具备比较完善的保护功能，IR2110S既可满足IGBT的驱动要求，又可大大简化硬件电路，又可弥补其它驱动电源的不足。

图2 驱动电路图Fig.2 Diagram of drive circuit system

1.3 逆变电路

逆变电路(如图3所示)是通用变频器的关键性电路，起着变频的核心作用。它的主要作用是在控制电路的控制下将直流信号转换为频率与电压均可任意调节的交流信号。六个IGBT功率开关管的工作受控制电路中PWM调制信号的控制而交替导通和关断，并在输出端得到相位上各相差120度电角度的三相交流电源。开关频率决定了交流信号的频率，交流信号幅值等于直流信号幅值的1/2。如果通过改变该交流电源信号的相序来改变异步电机的转向，只需改变各个功率开关器件的通断的顺序，这些功率器件同时起着改变电路电流流向的作用，故又称之为换流器件或者换流开关[2]。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)称为绝缘栅双极晶体管,是一种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件,它兼具MOSFET和双极晶体管的优点，具有高速开关低饱和电压、高输入阻抗、热稳定性好、驱动电路简单的优点，但其热时间常数偏小，抗过载较弱，因而在工程应用中，选择IGBT宜考虑负载最易受损的情况，最严酷的环境条件是异步电机的启动电流达到额定电流的(1.2～2)倍，且必须考虑电流峰值。

图3 逆变电路图Fig.3 Structure diagram of inverter

1.4 光耦隔离电路

为了有效地保护控制电路与增强系统的抗干扰能力，设计中将主电路和控制电路利用了光电耦合器进行电气隔离(如图4所示)。本设计中采用6片6N137作为6路PWM脉冲的光隔。6N137是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部具有温度补偿电路、有稳定的输出电压与电流，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd)，5mA的极小输入电流[3]。

图4 光耦隔离电路图Fig.4 Circuit diagram of optical coupling isolation

在本设计中光耦隔离器6N137应用如图4所示，其工作原理是： 脚2上R48为输入的限流电阻。当光敏管截止时，发光二极管的正向电流非常小，约为0～250μA；而当发光二极管正向导通时，其值约为1.2～1.7V，典型值是1.4V，此时通过二极管的正向导通电流为6.3～15mA，相应光敏管进入导通状态。因此VCC为+5V时，限流电阻可选1KΩ，脚8为输出端，在脚8和脚5之间须接一可吸收电源线上的纹波的电容，选用了值为0.1μF的瓷介质电容(C21)，其高频性能优良，同时安装在脚5和脚8不超出1cm范围的近处。这样还可以减少光电隔离器工作时对电源信号的冲击影响。6脚为集电极开路时PWM信号的输出端，必须加一个上拉电阻(R49)。阻值的选择根据后级电路的输入要求进行。所选电阻不能太小，否则会增大6N137的功耗，增加对电源信号的冲击[3]。本设计中R49取1K。C20是输出负载的等效电容，它和R49影响器件的响应时间，C20取值为103PF。

1.5 故障保护电路

将3个同一桥臂的2路PWM脉冲信号经过3个与非门两两相与后再经过一个与非门，当任意同一桥臂两个IGBT同时导通时，LED灯D16被点亮，发出报警信号，这个信号与过电流信号相与经过一个与非门，当直流侧电流超过8A时即发生过电流或者同一桥臂两个IGBT同时导通时，SD为高电平，LED灯D15被点亮，发出报警信号。SD为高电平时为驱动电路的关断信号，当出现故障时，通过SD引脚关断6个IGBT，实现硬件故障保护。其电路如图5所示。

图5 故障保护电路图Fig.5 Circuit diagram of fault protection

2 软件部分设计

2.1 主程序

图6是系统运行的主程序流程图。主程序先进行系统的初始化，包括设置watchdog；设置CPU级中断屏蔽寄存器(IMR)。然后关总中断；初始化PIE控制寄存器 、PIE矢量表、GPIO寄存器、SCIB寄存器和设置事件管理器中的部分控制寄存器，给一些变量赋上初始值，使之能在中断服务子程序中运算，并须选用6个复用I/O引脚，将其设置成PWM波输出端。随后设置好微处理器的定时器；待这些初始化工作全部完成后，最后将中断服务入口地址置好并重新开启中断(INTM=0)，等待循环。

图6 主程序流程图Fig.6 The flow chart of the main program

2.2 定时器2中断程序

数码管的第1位和第2位在停止的时候表示启动要达到的设定频率，启动的时候表示实时频率。定义一个计数CPU定时器中断变量InterruptCount，InterruptCount自动增加1，然后用判断语句进行判断其值是否大于10，如果是，继续判断实时频率是否达到给定频率，如果实时频率比给定频率小，继续增大实时频率，直到二者相等为止。如果给定频率比实时频率小，实时频率就减小，直到二者相等为止。然后调用显示子程序，将实时频率和给定频率显示出来。其流程图如图7所示。

图7 定时器2中断流程图Fig.7 The flow chart of CPU time 2 interruption service program

3 部分实验分析

本实验所用的被控电机为三相线绕式异步电动机，其型号为DJ17，Y型联接，PN=120W，UN=220V，IN=0.6A，fN=50Hz，nN=1380r/min，绝缘等级为E。试验系统电路板分为功率板，DSP2812控制电路板，键盘显示电路板。调试环境为美国TI公司的数字信号处理系统集成开发环境 CCS3.3。仿真器采用TI公司XDS100 USB Emulator。采用浙江天煌科技实业有限公司的DD03-3旋转编码器进行实时测速。在30～ 50Hz下加负载900Ω情况下运行，转速测量如图8所示， 定子相电流用示波器DS1-070525测量， 波形如图9所示，与仿真结果相符；从图可知，电机在不同频率下的调速性能均较好，定子的相电流波形接近标准正弦波。由此可见设计的变频调速系统具有良好的动态指标与静态性能。部分实验结果表明： 基于DSP2812的交流电机控制系统实现了全数字化变频调速，并且结构简单，提高电机效率，采用变频控制技术的电机调速系统具有优良动静态性能。

图8 加负载电阻900Ω，电机正转，频率为30Hz和50Hz时，转速为736.3r/min和1356r/minFig.8 With load resistance 900,the motor is rotating,the frequency of 30Hz and 50Hz,the speed of 736.3r/min and 1356r/min

图9 加负载电阻900Ω，频率为30Hz和50Hz，定子相电流波形Fig.9 With load resistance 900,frequency of 30Hz and 50Hz,stator phase current waveform

[1]林立，李晓静，蒋云峰，基于DSP的SVPWM矢量控制数字化变频调速系统[J].中小型电机，2004，31(5)：35-38.

[2]韩素贤.基于TMS320F2812的新型数字变频器设计[J].数字技术与应用，2016，8：174-175.

[3]管明波.基于FPGA与PC机的地震动信号采集与处理系统的研究与实现[D].南京：南京理工大学，2008.

[4]王忠勇，陈恩庆.TMS320F2812 DSP原理与应用技术[M].北京：电子工业出版社，2012.

Design of variable frequency speed regulation system for asynchronous motor

QIU Xionger，LIN Li，LI Hui

(Department of Electrical Engineering ,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

This is a universal converter which based on the three-phase AC asynchronous motor as controlled object and takes DSP2812 as processor.The simulation waveform and the experimental results show that the system runs stably and can realize variable frequency controlling speed regulation of AC motor control,frequency range of 1 ～ 50 Hz,step for 1 Hz.

DSP2812；induction motor；inverter；FOC

1672-7010(2017)02-0027-05

2017-02-10

湖南省教育厅一般项目(16C1449)；邵阳市科技计划项目(2016CZ12)

邱雄迩(1973-),男,湖南隆回人,讲师，硕士，从事电力电子与电气传动研究，E-mail:cekongpg2008@126.com

TM301.2

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