交流电机调速系统研究与设计

魏成岗

摘要：电机是工业生产中最常用的一种动力设备，随着精细化生产的逐渐推广，各种生产场合对动力供给的质量提出了更高的要求，以往的电机调速系统在稳定性和精确性方面存在不足，必须加以改进。本文将DSP技术同SPWM技术进行了有机结合，共同完成了交流电机的动态调速工作，并对相关的系统进行了设计，具有一定的参考价值和推广意义。

关键词：交流电机；调速；DSP；SPWM

交流电机的使用非常广泛，几乎出现在我国的各种生产领域内，为我国生产力的发展提供了有力的支撑。对交流电机动力供给模式的不断改进，对其控制策略的不断优化一直是电气自动化领域研究的热点，而其中影响最广泛，效果最明显的就是对交流电机的调速系统进行实时化的动态控制。调速系统的存在，可节约大量的能源损耗，是交流电机以最合适的速率运转，从而提高其灵活性，为不同的动力需求场合提供最合适的动力源。本文从交流电机的变频调速系统入手，研究其运行的基本原理，并提出采用SPWM技术和DSP技术对现有的交流电机调速系统进行优化，设计了切实可行的系统结构和操作方案，经过实践证明，该系统的引入，有效的提高了交流电机调速工作的快捷性和准确性，并可对能耗进行合理的控制，降低了生产成本。

一、SPWM技术

SPWM指的是正弦脉宽调制波技术，其功能是将工业上常用的正弦波信号转化为各种电气设备更容易解析的脉冲波信号，从而在自动化控制领域可以发挥重要的提高响应速度的作用。其基本原理是采用一系列的等宽度的等腰三角形波与正弦波叠加对照参考，这两种波形的交点即为控制点，从而形成开关量，对被控对象进行导通与关闭的控制，当正弦波取值大于三角波时取值，即控制激活逆变器的开关管导通；当正弦波取值小于三角波时取值，则控制激活逆变器的开关管断开，逆变器根据开关间隔的选择而产生等幅不等宽的脉冲波信号。

针对工业中对调速工作灵活性的需求，因此引入变频技术。该技术的核心理念是通过频带的划分而形成不同的控制区域，众所周知，无论何种信号都具有频率，控制指令信号也是一样，通过事先规定好不同指令具有的特定的频率，就可让调速系统根据收到信号的频率处于哪一个频带来判断控制台发出的是何种指令，随后对该指令作出相应，转化为对应的电压信号进行输出，实现对电机的灵活调控。

二、交流电动机的调速原理

转速公式：（1）

式中各项因子如下：f：电源频率；p：电动机磁极对数；s：转差率。

通过上式中各个参数之间的关系可以得出以下结论，对交流电机的调速操作，可以通过改变上式中的三个参数来完成，以此对应三种调速方法，分别为：

（一）变极调速，其原理是通过改变电机定子绕组的极数来完成调速。这一方式最大的缺点是过于死板，其调速工作受到了极大的限制，只能在有限的几个固定速率间切换，无法根据生产系统的动态变化灵活的调节电机速度，使用范围相对较小。

（二）变转差率调速，该方法最大的缺点是系统能耗高居不下，极大的提高了生产成本，浪费了大量的能源。而不断地减低能耗，提高系统的运转效率，降低运行成本已经成为广大工业用户在选用控制系统时的首要目标，因此该种方式将自身的最大优势给抵消了，故同样没有得到推广，且该方案只能针对旋转磁场同步转速恒定的电机才有效。

（三）变频调速，即本设计所采用的调速方式，此方式是通过调节供电电源频率来实现对电动机的调速，其效率和能耗明显优于上述两种调速方式。

三、系统硬件设计

硬件设计的主体结构如下图所示，主电路由整流滤波电路和SPWM逆变电路两个部分组成。其工作原理是把输入的单相交流电压通过整流滤波电路变为平滑的直流电压，然后再通过逆变电路对该直流电压进行斩波，形成电压和频率均可调的三相交流电供电机使用。

（一）控制电路模块

控制电路模块采用TMS320LF2407A型号DSP。它的优点在于可以将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，简化了电路设计方案，提高了控制系统的运算速度，主要包括：电源电路、时钟电路、复位电路、接口JTAG电路、扩展SRAM等。

（二）调速系统的软件模块

该系统平台以功能为核心，将各个部件合理分割，成为不同的功能模块，极大地降低了系统各环节之间的耦合性，提高了系统的灵活性和可靠性。模块之间通过接口编程来实现互通连接，大体上由两部组成：上位机监控程序和下位机控制程序。上位机面向用户，向用户提供简洁明了的人机操作界面，完成对用户控制指令的读取和解析，同样实现对PC机串口的读写操作；下位机负责串口通信、SPWM输出、故障监控等功能，以下为主要工作流程：

首先，主程序主要负责DSP初始化、串口接收發送、循环等待等。

1.串口通信中断服务程序。串口通信中断服务程序负责接收上位机发送的参数给定信息，然后将该信息送给DSP控制系统进行处理。

2. SPWM中断服务程序。SPWM中断服务程序负责根据给定频率完成SPWM波形的产生，是整个系统设计的关键，其程序流程如图2所示。

3.故障中断服务程序

故障中断服务程序负责接收PDPINT引脚的故障信号，当接收到故障信号时立刻封锁PWM输出，断开主电路并显示相应的故障，避免系统和IPM功率模块烧坏。

四、结束语

目前，在交流电机的变频调速领域研究较多，已经形成多个系列的控制策略，由于技术选型和被控对象的不同，这些控制策略也各有优缺点。本文选取DSP和SPWM技术为核心，最大限度的利用了DSP灵敏度高、可控性强、稳定性好的特点，对交流电机的调速系统进行优化和改进。通过大量的实践证明，本系统可明显的提高交流电机的调速质量，系统响应速度快，调节精度高，同时可有效的节约系统的能耗。相信随着自动化技术、信息技术、人工智能技术的不断发展与融合，未来会出现更加优秀的控制方案，进一步提高交流电机调速工作的质量，为我国的现代化工业生产做出更多的贡献。

参考文献：

[1]张毅刚，赵光权.DSP原理、开发及应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009.

[2]汪安明.DSP嵌入式系统开发典型案例[M].北京：人民邮电出版社，2007.