基于DSP的异步电机变频调速矢量控制研究

2019-10-21张键

中国电气工程学报 2019年27期

张键

【摘要】描述了电源板的设计和驱动板的设计框图。介绍了主控板电流检测和速度反馈模块的设计电路的构成，并给出了CPLD模块的逻辑框图设计。这篇文章主要阐述了矢量控制系统的框图，并对基于DSP的异步电动机的矢量控制阶段出现的问题进行了分析。得到了矢量控制程序设计和矢量控制算法的图。并且得到了捕获模块和速度计算模块的设计思路。阐述了空间矢量模块编程的具体思想。给出了矢量控制的实验结果以及相应的扇形三相波形。实现了PID闭环控制，给出了速度测量曲线。

【关键词】DSP;异步电机;变频调速;矢量控制

引言

高阶，非线性和耦合性强是异步电动机的物理模型非常明显的特征，这个模型是一个变量比较多的系统，需要用一组非线性方程来对其进行描述。相互比较之下，较为简单的是直流电动机的数学模型。从物理模型整体来看，直流电动机可以分为磁场绕组和电枢绕组。电流可以分别控制气隙磁通和电动机的电磁转矩。模型转换是矢量控制的重要思想。经过一次又一次的坐标变换，应用直流电动机模型可以得到最初的非线性，强耦合和变量多的异步电动机模型。对等效励磁电流和转矩电流控制后，可直接使用直流电。

在目前的交流调速系统中，变频调速被很多的公司所采用。使用控制精度较高的系统一般使用的是矢量控制方式。矢量控制技术已慢慢成为性能较高的异步电动机变频调速系统的主要方案。因为矢量控制有着相对来说比较复杂的系统，导致了在控制过程中需要进行非常多的数学运算，从而实现控制系统的数字全面化。

1.矢量控制原理

矢量控制理论的核心思想是把交流电动机模拟成直流电动机从而对其进行有效控制，它能够把磁链矢量的方向作为坐标轴的基准方向，采用矢量变换的方法实现交流电机的转速和磁链控制的完全解耦，以得到类似直流电动机的优良的动态调速性能u。取转子磁链也的方向，也就是转子磁场方向为M轴，M轴逆时针旋转90。为T轴，建立转子磁场定向的MT同步旋转坐标系。

按照上面所说的原理，设计出以转速、磁链闭环的一直一交电压源矢虽控制变频调速系统，如图1。图中带“*”號的量表示特定的信号，不带“*”号的量表示实际测得的信号。VR-1环节实现MT坐标系向静止的坐标系变换;2s/3s环节实现定子电流由口口坐标系向三相ABC坐标系的变化。系统主要有磁链观测环节、测速环节、矢量变换运算环节、转速调节、电流调节、电压源型逆变器（VSI）及负载电动机组成。

图1 矢量控制变频调速系统原理图

2.异步电机变频调速系统功能

基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统包含主电路、控制电路和保护电路三大部分，具体由整流滤波模块、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，如图1所示。系统主电路采用典型的AC/DC/AC电压型变频器结构。整流环节采用三相桥式不可控整流模块，逆变电路采用PM25RSB一120型IPM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TMS320LF2407A核心电路和基于核心电路的外部扩展电路两部分。DSP核心电路负责整个系统的控制和具体的算法实现，外部扩展电路主要完成电压、机通信等功能。并对IPM发出的各种故障信号进行综合处理形成总的故障信号送入TMS320LF2407A的P—DPIN—TA故障中断入口。上位机（PC机）部分采用Visual Basic编写通信界面，主要负责转速（频率）和磁通的给定以及调速系统故障显示等功能。电流和速度信号的检测、数据显示以及DSP与PC3.异步电机变频调速电源及驱动板。

3.1电源板设计

结合设计中需要的电源个数为8个，一定要对设计开关电源进行设计。设计电源为主控制板提供4个接口分别是+ 24v，+ 15v，-15v和+ 5v电源，为驱动板提供4个接口分别是+ 15v的电源接口。

3.2驱动板设计

驱动电路的设计思路是对交直交变频进行实现，并且能够对三相电驱动电机进行控制，如图2所示。

图2驱动板设计框图

4.异步电机变频调速主控板设计

4.1电流检测

电机采用Y接法，根据Ia + Ib + Ic = 0，测量两个电流以获得另一个电流。检测电路主要由电流和电压检测组成。电流检测的主要针对目标是检测直流母线的电流和检测逆变器的电流输出数值。电压检测只需要对直流电压进行检测。因为所采用的传感器是A电流直接输出，所以需要对其进行转换变为A电压，然后输入A / D，并通过A / D采样对数据进行收集。在图4中，TLV2254是低功率运算放大器。网络标签c1和c2的输入被tlv2254放大，并且输出被发送到DSP引脚adcina2和adcina3进行a / d采样。

图3 A/D输入信号放大电路

4.2速度反馈模块。

将旋转编码器与电动机同轴连接是采集速度工作的重要机理。电动机进行旋转时，编码器同时进行旋转。通过光耦合芯片tlp113获得编码器采样的信号a1，b1和c1，并获得a2，b2和z2。然后，通过sn74hc04芯片提高了负载能力，最后，由DSP处理捕获的信号cap1至cap3的三个通道。

3.3 CPLD逻辑电路为了确保整个设计电路的安全性，对相应的逻辑保护电路进行设计是非常有必要的，并为整个逻辑控制选择可编程逻辑器件CPLD。

我们能够发现，当系统出现的错误信号或过流信号gl时，也就是说错误为“ 1”或gl为“ 1”时，能够通过逆变器，倍数和门pdpinta获取信号。pdpintb逻辑为“ 0”，电源驱动器保护的输入引脚pdpinta和pdpintb一直处在激活较低的状态。这将会使PWM输出端口具有高阻抗。oe信号目前为“ 1”，这将造成DSP输出PWM信号阻断，并且该信号无法正常发送。

5.矢量控制过程分析

三相电流ia和ib由ipm模块输出检测。通过克拉克变换可以获得两个两相稳态电流I a，I beta。角度角度由磁通量观测器计算。并按照 Angle，对两相静态电流进行Park变换，以获得两相旋转电流id和IQ。获得的当前值被用作反馈值，并反馈到当前的pid输入端口以进行速度测量。链接返回的速度信息获得两相旋转电压ud，uq。通过逆停车变换，计算出两相静态电压值u a和u beta。然后，使用电压空间矢量SVPWM来计算PWM恒定占空比的转换时间，更新事件管理器中每个比较寄存器的值，并生成6个通道。 PWM波连接到逆变器，并且最终将理想频率的三相交流电施加到异步电动机以控制电动机速度的变化。以上的坐标是矢量控制系统模型变换的核关键组成部分。矢量控制系统的框图如图4所示。

图4矢量控制系统框图

6.矢量控制程序设计

6.1矢量控制程序一般由输入模块，变换部分，park逆变换模块，磁通角计算模块，pid模块，捕获模块，速度测量模块，斜率模块和空间矢量计算模块组成等等。矢量控制算法是在定时器的溢出中断下实现的，如图5所示。

图5矢量控制算法流程图

按照给出的速度和反馈速度计算出pid的速度输出。按照两相旋转电流和反馈速度，可以计算出磁链角，并通过查阅该表获得了停泊和逆停泊变换的三角测量值。从交流通道输入两相电流值，可以得出三相电流的数值，并通过克拉克变换和帕克变换对两相旋转电流进行输出。电流pid由速度pid输出的转矩电流和给定的励磁电流控制。

6.2捕获模块

捕获模块能够捕获电动机发出的旋转信号并对这些信号进行处理，可以用于计算电动机速度的时间戳，并把计算得到的信息进行收集。详细的操作步骤如下面所示：

voidF281X_EV1_CAP_Init（CAPTURE*p）

EvaRegs.CAPCONA.all=CAP_INIT_STATE;//初始化捕获单元

EvaRegs.T2CON.all=TIMER_INIT_STATE;//初始化定时器单元

EvaRegs.T2PR=0x7FFF;//设置定时器2周期值

EALLOW;//解除寄存器保护

GpioMuxRegs.GPAMUX.all|=0x0700;

//设置GPIOA8～GPIOA10引脚为外设功能

EDIS;//使能寄存器保护}

捕获的模块在对程序进行读取的过程中，对捕获的状态寄存器的数据进行判断，如果说不为零，读取的信息并放入TimeStamp变量中，返回值为0，捕获到这个节点为止。

6.3速度计算模块

速度的计算模块把捕获模块得到的时间戳信号转换为速度信号。速度计算模块如图6所示。

图6速度计算模块示意图

速度计算模块的流程图如图9所示。速度计算模块的核心思路是，当输入的选择等于0时，它将开始对时间戳进行更改。时间戳是新的和旧的，新时间戳是捕获的事件的新时间戳，而oldtimstamp是捕获的事件的旧时间戳。将现在的时间戳记分配给新时间戳，新时间戳记和旧时间戳记获得周期值。为确保时间段值为有效的正值，请执行正值处理。当eventPeriod <0时，事件周期= eventPeriod + 32767。将速度缩放比例除以周期值即可得出速度= speedscaler /事件周期。速度speedrpm的实际值可以通过将基础值baser PM乘以速度值speed获得，即speed speedrpm = baser PM×speed。将转速RPM值除以电动机的额定转速，以获得实验曲线中的转速反馈值。

图7速度计算模块流程图

7.空间矢量模块与测试结果

7.1IQmath方法与IQmath函数及其调

iqmath方法是一种应用定点算法并且拥有浮点数据处理特性的处理手段。浮点运算能够采用定点运算来进行计算。当小数点在0的右边时，IQ格式的数字表示形式定义为q0。小数点在第15位的右边时，被定义为q15。例如，q10格式的小数点缩放到111111.1111111，其最低位更改一个单位，表示精度为1/210 = 0.0009766。

7.1.1调用IQmath函数的方法

（1）IQmathLib.h加入到頭文件，定义全局Q值

GLOBAL_Q。#ifndefGLOBAL_Q#defineGLOBAL_Q15#endif

（2）在项目的库文件汇总增加IQmath的库文件IQmath.lib;

（3）在CMD文件中，将"IQmath"输出段正确放置在程序存储区中;

7.1.2IQmath函数说明

全局GLOBAL_Q函数的输入和输出都是GLOBAL_Q格式的，在GLOBAL_Q值确定后，是一个确切的值，例如：

_IQsin（A）//GLOBAL_Q格式是数A的sin函数值

_IQcos（A）//GLOBAL_Q格式是数A的cos函数值

定义一系列初始函数变量如下：

intm_period;

longtmp;

tmp=（long）p->n_period×（long）p->Mfunc_p;

m_period=（int）（tmp>>16）+（int）（p->n_period

>>1）;

EvaRegs.T1PR=m_period;

7.2矢量控制测试结果

矢量控制系统的建立是需要慢慢来的，程序的调试一共有五个级别，即一到五个级别。从非常简单的到非常复杂的，整个矢量的控制程序都是一步一步完成的。调试的第一级一般由斜率转换部分，通量逼近部分，逆Park变换模块和空间矢量计算模块组成。倾斜输入信号，计算通量链近似值，并按照特定的条件进行逆Park变换。空间的矢量经过一定的计算后，对PWM以对PWM输出进行更新启用。调试的第二个阶段是在第一个阶段的基础上添加adc采样的模块，对两相的电流值进行一定的收集，并把采样信号进行Clarke变换和Park变换，并获得未直接施加的两相旋转电流。并按照特殊的条件对逆模块变换。执行相同的脉冲宽度调制处理。最后，添加了的速度计算模块可以准备进行下次的修改。初级和次级都是开环控制系统。三阶段调试在第二阶段的基础上增加了一个电流较大的pid模块，方便对变换后获得的旋转电流的转矩电流pid和励磁电流pid进行精确的控制和计算。两相pid输出通过反向Park变换获取。静态电压信号是通过使用电压信号进行空间矢量计算而获得的转换时间，并更新并启用了PWM。在三级调试的基础上，增加了磁通角度计算模块，并更换了磁通接近模块。五级调试主要由ADC采样模块，Clarke转换模块，泊车转换模块，速度pid模块，转矩电流pid模块，励磁电流pid模块，反向停机转换模块，空间矢量计算模块，速度计算模块和磁模块组成。通量计算模块，最后，对脉冲的宽度进行调制。从1级调试到4级是一步一步地添加模块。第五级调试使用速度pid模块而不是按照斜率模块来对给定的速度和反馈速度pid进行有效控制。磁通量角的精度可以使用磁通量计算模块替换磁通量近似模块来获得。

8.结语

强电混合和弱电混合以及机电一体化的搭配是现在交流变频系统非常显著的一个特点。它不仅可以进行对数据的处理诸如整流和逆变器之类的消耗比较大的电能的转换，而且还能对数据进行收集，转换和传输数据，所以被分为两部分：电源和控制。以DSP的变频器为基础的系统可以对电动机参数进行检测。通过对电动机的电压和电流进行检测，能够清楚地知道电动机的状态。

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