基于DSP的异步电机变频调速控制系统设计

基于DSP的异步电机变频调速控制系统设计摘要：异步电机的矢量控制系统是在坐标变换理论、电机统一理论和机电能量转换和的基础上发展起来的，通过一系列的转换将异步电机模拟成直流电动机来控制，利用坐标变换将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果。本文应用矢量控制的原理，以电机控制专用的DSP芯片TMS320LF2407为核心，设计出基于矢量控制的变频调速系统。本文设计了整个硬件系统的主电路(整流电路以及口M逆变电路)和控制电路(以DSP芯片为核心的控制电路，以及电流和转速检测电路)。同时采用一种PWM调制方法一电压空间矢量法(SVPwM)来实现对异步电机的控制，提高了能量的利用效率。仿真实验证明，基于DSP芯片的矢量控制变频调速系统性能优良，运行稳定，抗干扰能力强，电机运行噪音小，不失为一套具有先进型、新颖性、实用性的控制系统。在硬件设计的基础上，本文对异步电机矢量控制系统着重进行了算法和软件方面的研究。设计了一种新的转子磁链位置的计算方法，并应用于异步电机的变频调速控制系统中，保证了Park变换和逆变换的快速性和准确性。文中设计了系统主程序和各中断子程序，以及SVPWM子程序中各模块的算法和程序。理论分析和仿真实验证明该系统能够有效的控制电机的运行。关键词：数字信号处理器； 异步电机； 矢量控制； 变频调速系统Abstract:Vector control system of induction motor is based on vector coordinatetransformation theory,motor unification principle and energy conversion11le statorcurrent is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic fieldand controlled respectively by transforming coordinateSo magnetic flux and torqueare decoupledIt controls the asynchronous motor as a synchronous wayUsing digital signal processor(DSP)，TMs320u2407，which is special formotor control，we develop a suit of speedadjustable，speedreliable and highlyeffective induction drive based on FOC principleRealization of the main circut andthe control circut is describedAt the same time，a new Pulse Width Modulation(PWM)named Space Vector Pulse Width Modulation(svewM)method isintroduced which is more effectiveBased on hardware design,this paper also illustrated both algorithm and softwaredesignNot only it introduced the main program and suspended program，but alsohow each model of SVPWM program workedMore importantly,this paperdeveloped a new method of calculation of flux linkage，which ensures the accuracyand efficiency of Park transformThe results shows that can be used to control themotor successfullyKey words：Asynchronous motor Vector control Space Vector Pulse WidthModulation一、引言现代电动机控制中，长期以来存在着交流调速和直流调速方案之争，早在19世纪末，电力系统中就有过交流供电和直流供电之争，结果经过半个世纪的争论，由于三相交流电的发明，使电力系统的交流化取得了胜利。在电力电子技术发展之前，直流电机几乎占垄断地位。对于直流电机，只要改变电机的电压或者是励磁电流就可以实现电机的无极调速，且电动机的转矩容易控制，具有良好的动态性能。但是直流电动机也有其本身固有的缺点：结构复杂，重量大，价格高；电刷易磨损，维修不方便；对环境要求高，不适合用于易燃、易爆及有腐蚀性气体的场合；这些都与现代调速系统要求的可靠性、可使用性、可维护性相矛盾，因此直流电动机已经难以适应现代电气传动的要求了。交流电动机特别是鼠笼式异步电动机，结构简单，坚固耐用，制造方便，价格低廉，容量没有限制，而且维修方便，对环境要求不高等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。但同时交流电机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较差。而随着现代交流电机的调速控制理论和电力电子变流技术的发展，交流电机调速取得了突破性的进展，电气传动交流化的时代随之到来。70年代矢量控制理论的引入使交流调速实用化。相继各类全控型器件层出不穷，变频调速技术日新月异。从生产到日用家电涉及方方面面，已进入一个高科技应用时代，使工业化生产应用技术发生了很大的变革。变频调速技术是现代电力传动的主要发展方向，它在节电、提高产品质量、产量实现自动化等方面，是基本技术之一，其重要性日趋增强。特别是在电力电子、微电子及计算机技术迅速发展的今天，各种电力器件SCRGTRGTOIGBT以及GTO+IGBT的复合器件的开发，使变频调速技术得到了迅速的发展。交流变频调速技术已成为调速传动技术的主流。近10年来，随着矢量控制技术和直接转矩控制技术的发展，交流调速的性能达到和超过了直流调速，电机的交流调速价格己与直流接近或相当。因此，出现了以交流取代直流的趋势。国外基本上已全部采用交流调速，虽还贵一点，但能从减小维护和停机时间中得到补偿。我国目Ijf直流还占一定的比例，但许多新上的项目己要求变频调速。80年代初矢量控制进入实用阶段，经过二十多年工业实践的考验、改进与提高，目前已达到成熟阶段。但其也有不足之处，即需要进行计算量大的坐标变换，并且变换复杂、从而限制了它的发展与应用。但随着集成电路技术的发展，微机运行的速度越来越快、精度越来越高、功能越来越多，它己能够完成交流调速系统复杂的控制任务。特别是在1982年美国德州仪器公司(Texas Instruments)成功推出DSP(数字信号处理器)以后，电机调速系统已可实现全数字化。DSP系统是以数字信号处理为基础，概括起来具有以下主要优点：(1)在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法。(2)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。(3)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。(4)可以并行执行多个操作。(5)程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。(6)支持流水线操作，使取指令、译码和执行等操作可以重叠进行。本课题以DSP和智能功率模块(IPM)及异步电动机构成的系统为研究对象，以空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)为控制算法，设计了一种全数字化的变频调速系统，具有一定的理论和实际应用价值。二、电机变频调速系统的发展概况近年来，交流调速中最活跃，发展最快的就是变频调速技术。变频调速技术是交流调速的基础和主要内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变得可调了，从而可以充分利用这一极为有用得资源。电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能一机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分为交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能，改善产品质量，提高产量。在我国60的发电量是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现，人为地可以改变电压的大小，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，而变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品在国际上只相当于上世纪80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个既对国内企业，也对国外公司敞开的巨大市场。很多最先进韵产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活的需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，并且自己开发应用软件，为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然在很多方面取得很大成绩，但还存在国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重的问题。从总体上看我国电气传动的总体水平较国际先进水平差距lO15年。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当的差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大的需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所以的产品都是普通的VF控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场的需要，每年大量进口。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术可分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略)的软硬件开发问题(在目前状况下主要是全数字控制技术)。目前主要发展方向有以下几项：(1)实现高水平的控制；(2)开发清洁电能的变流器；(3)缩小装置的尺寸；(4)高速度的数字控制：(5)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。21电力电子器件电力半导体器件是以美国1956年生产硅整流管(SR)、1958年生产晶闸管(SCR)为起始点逐渐发展起来的。经过了40多年的发展，在器件制造技术上不断提高，已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)、功率MOSFET、绝缘栅双极品体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PID)，以智能化功率集成电路(SPIC)、高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从品闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到P1D，PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅人大降低了门极(栅极)的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率由工频一中频一高频不断提高。在器件结构上，从分立器件，发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。功率集成器件从单一器件发展到模块的速度更为迅速，今天己经开发出智能化功率模块(IPM)。22微处理器的发展早期电气传动控制系统完全由模拟电子器件构成，调节器参数调整困难，受外界环境的影响很大，因而对控制对象的适应能力差，难于适应各种新型控制策略和控制方法111。另外，由于模拟器件的集成度不高，这样就使得整个控制系统的硬件结构变得非常复杂，从而影响控制装置的可靠性。随着微电子技术的发展，微型计算机的功能不断提高，电气传动领域出现了以微处理器为核心的微机控制系统。微机控制在初始阶段需要配置大量的外围接口，以达到实时控制的目的。为了适应这种需要，一些公司在单块芯片上直接集成这些外围接口，构成单片机。单片机自问世以来，就得到了飞速发展，以Intel公司为例，早期推出MCS-48系列单片机，该单片机功能简单，寻址范围有限，性能较差，随之被稍后推出的MCS51系列单片机所取代。MCS51系列单片机功能较强，寻址范围达到64K，有多级中断处理系统，片内带有串行IO口，16位定时计数器，这些性能基本能够满足一般控制系统的需要，故这类单片机仍是目前应用最为广泛的一种单片机。虽然MCS51单片机目前应用得最为广泛，但在一些比较复杂的控制系统中，由于受计算速度和计算精度的影响，它不得不让位于16位单片机。MCS96系列16位单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，特别是在其CPU中不采用常规的累加器结构，改用寄存器一寄存器结构，CPU操作直接面向256字节寄存器，消除一般CPU结构中存在的累加器瓶颈效应；尤其80C196MC型单片机内置的波形发生器可直接输出三相脉宽调制波形，特别适用于变频调速电机控制系统。虽然MCS96单片机性能优越，但当用于需要进行大量数据处理或浮点运算时则略有逊色。80年代初期出现的数字信号处理器(DSP)既增强了微处理器的数据处理能力，提高了精度，又在片内集成了大量的外围接口，因而在控制系统中得到广泛应用。DSP通常采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并且各自拥有自己的数据总线和地址总线；采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高；内部增设专门的硬件乘法器，并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运算。DSP在提高速度的同时，片内集成了越来越多的外围接口，从而大大提高其功能，有些公司还设计专用的DSP，应用于各种不同的控制场合，本系统即选用11公司的电机控制专用芯片TMS320LF2407型DSP为控制器构成通用变频调速系统。23控制策略的发展早期变频调速系统是开环恒压频比(VF控制，VF=常数)的控制方式1219其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在使性能下降，稳定性变差，因此这种控制方式比较适合应用在风机、水泵调速的场合。转差频率控制系统在VF控制中引入速度闭环，使逆变器输出的实际角频率随着电机转子角速度同步上升或下降，从而提高了系统的动静态性能。与开环v伊控制相比，加速、减速更为平滑，且系统容易稳定。但转差频率控制是从异步电机的稳态等效电路和稳态转矩公式出发分析的，因而会影响系统的实际动态性能。上世纪70年代，西德EBlaschke等人提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和ECCustman与AAClark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”，奠定了矢量控制理论的基础131矢量控制理论的基本出发点是，考虑到异步电动机是一个多变量、强藕合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电机模型可等效为一台直流电动机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等问题，国内外学者进行了大量的研究。在致力于发展异步电机矢量控制技术的同时，各国学者并没有放弃其他控制思想的研究。1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同，DTC摒弃了解藕的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节器产生脉宽调制(PWM)信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。从转矩的角度看，只关心转矩的大小，磁通本身的小范围误差并不影响转矩的控制性能。因此，这种方法对参数变化不敏感。DTC省掉了复杂的矢量变换，其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。24控制理论的发展现代交流调速的主要控制方法交流变压变频技术是一种转差功率不变高效型调速技术，它是，自20世纪60年代获得突破性进展以来，一直受到人们的高度重视。交流变压变频技术按其控制方式可简单分为：VF恒定萨弦脉宽调制(SPWM)、电压空间矢量(SVPwM)、矢量控制和直接转矩控制3代控制方式。交流电机是一个多变量、强耦合、非线性的被控对象，第1、2代的电压频率恒定控制是从电机静态方程出发研究其控制特性，动态控制效果均不理想，第3代的矢量控制(vC)和直接转矩控制(DTC)能使交流传动系统获得与直流传动相似的静、动态特性t519但是对于交流电机这样一个特殊的被控对象，矢量控制存在转子磁链难以准确观测、矢量变换的复杂性和控制性能受电机参数变化影响的不足哳1，直接转矩控制存在转矩脉动较大的缺点。现代控制理论的各种控制方法为弥补这些不足提供了理论依据，计算机用于实时控制后，使得现代控制理论中的各种控制方法得到应用，如最优控制应用到PWM开关的优化，减少开关损耗”；智能控制能够适应交流电机的非线性和参数的变化；卡尔曼滤波器和自适应控制能对转子磁链观测和进行转速估算”1，这些先进的现代控制技术全面提高了系统性能。近几年智能控制己较多应用于交流电机调速中，在提高控制系统的抗干扰能力，提高系统的鲁棒性91，提高系统动态性能、系统参数辨识n等方面都有很大的发展潜力。三、本文研究内容现代电机控制发展和完善、仿真工具的日渐成熟，给电机控制带来了很多发展的契机。同时也出现一些要求高性能、低能耗、低成本以及技术指标要求苛刻的特殊应用系统。本课题运用现代电机调速的控制方式(矢量控制)并结合空间电压矢量技术，设计和开发一套以11公司的DSP芯片TMS320LF2407为核心构成通用的交流变频调速系统。本文的主要内容：(1)异步电机各种交流调速的方法，重点阐述了矢量控制系统的基本原理及其实现装置，其中主要包括变频调速的基本原理和异步电机的数学模型。(2)以TMs320LF2407为中央处理器，设计控制电路，它可以分为DSP模块、电流检测模块，转速检测模块等。设计以IPM为功率器件构成逆变电路，以二极管构成三相桥式不可控全波整流电路，组成典型交一直一交电压源型变频系统主电路。(3)用C语言及汇编实现矢量控制系统，详细介绍了主程序流程图，各中断子程序流程图及各模块的实现。并给出部分模块的软件程序。四、系统软件总体设计矢量控制变频调速控制系统的软件设计是本系统设计的核心内容，系统运行性能的好坏在很大程度上取决于控制系统软件质量的高低。本系统的软件主要分为两部分：一是上位机的监控显示程序；二是下位机的控制程序。上位机主要负责电机参数设定，包括转速设定及显示等；下位机主要负责电流采样、转速采样、矢量变换、PWM输出、故障输出等。下位机的软件设计可简单分为两个部分：一个是系统的初始化，一个是控制运行模块。其中第一个模块只在系统上电时执行一次，而第二个模块在每次PWM下溢事件发生之后都将从等待循环中唤醒，当中断标志被设置后，相应的中断服务程序ISR就将执行，整个矢量控制算法都在中断子程序中完成，其调用的频率与PWM的输出频率一致。整个软件的系统框图如图1所示。3 系统软件的具体实现3.1 相电流检测模块该模块的主要功能在于把采样得到的两路定子相电流模拟信号转换成数字信号。具体的采样过程如图2所示：处理结果如图3所示。3.2 速度采样模块采用欧姆龙公司的旋转编码器（E6B2-CWZ6C）作为检测器件，与传动轴连接，每转动一周便发出一定数目的脉冲，DSP通过对计数器计数可以实现对频率和周期的测量，从而间接得到轴上的转速。在具体的软件实现过程中，就是通过旋转编码器送进来脉冲计数，得到当前电机的转速和电机转子的位置，把起始位置设为0，并把两个PWM周期之间的脉冲数保存在计数器T3CNT中。3.3 PI调节模块由于外界干扰和电机参数等原因，常使PI调节器的输出超过系统输出能力，在设计系统时，采用了输出限幅的PI调节结构，如图4所示。在具体实现过程需要首先得到控制对象的传递函数，然后选择合适的PI调节器，将系统校正成典型环节，遵循典型系统工程设计方法得到系统参数。在得到3个PI调节器后，采用后向差分法进行离散化，得到差分方程，进行计算机编程。3.4 矢量变换模块3.5 电流磁链转化模块电流模型可以用如图5所示的模块进行描述。3.6 电压空间矢量产生模块 逆变器的一个工作周期被六个有效的电压空间矢量分为6个区，实现PWM空间电压矢量控制的方法就是在每一个扇区再分为若干个对应于时间T（脉冲周期）的小区间，在这个小区间中插入若干个线性组合的电压空间矢量，就可以获得优于正六边形的多边形旋转磁场。 算法步骤为：1）判断当前电压矢量所在的扇区；2）计算开关电压矢量作用的时间；3）根据开关电压矢量作用的时间和成三相PWM信号。4、软件抗干扰设计变频调速系统的现场运行环境恶劣，干扰严重，对DSP运行的可靠性和安全性有很高的要求。除了在硬件电路上需要安排一些必要的抗干扰措施外，还需要软件系统的密切配合。软件方面的干扰主要表现在以下几个方面：（1）不正确的算法产生错误的结果，容易产生误动作；（2）由于计算机的精度不够，而加减法运算时要对阶，大数“吃掉”了小数，产生了误差积累，导致下溢的出现，也是噪声的来源之一；（3）由于硬件方面的干扰引起计算机出现的诸如：程序计数器PC值变化、数据采集误差增大、控制状态失灵、RAM数据受干扰发生变化以及系统出现“死锁”等现象。软件抗干扰的方法主要有：（1）采用软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的噪声影响，如数字滤波计数等新方法；（2）对由于干扰而使程序运行发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环的情况，可以采取软件冗余、软件陷阱和“看门狗”等方法。软件抗干扰是被动措施，而硬件抗干扰是主动措施。但由于DSP软件设计灵活，可以节省硬件资源，所以DSP系统的软件抗干扰技术越来越受到人们的重视。五、总结 本文主要采用TMS320LF2407型定点DSP为控制核心，以职M为逆变器的开关器件构成交流变频调速系统，采用SVPWM变频技术，利用DSP芯片高速运算的能力，产生输出频率和调制比可任意改变的PWM波，为实现矢量控制系统提供了一定条件。在硬件电路设计中进行了优化设计，口M的使用减少了很多驱动电路，使变频器实现小型化，简单化。在算法实现中，DSP都不可避免的要处理浮点数，因些浮点数的定标就显得重要。本文的定点运算采用了Pu模式，既能满足宽范围又能满足高精度。具体研究的内容主要有：(1)通过对异步电机物理模型的分析，建立了电机在三相坐标下的数学模型。采用矢量控制的变频调速方法，经过Clark和Park变换到两相旋转坐标系，从而得到了异步电机在两相旋转坐标系的等效直流电机模型。在SVPWM理论的基础上，推倒出SVPWM波形的快捷实现算法。分析了LF2407DSP硬件和软件生成SVPWM波形的实现方法。(2)详细介绍了DSP芯片的特性，并在此基础上设计出了变频调速系统的硬件电路。硬件电路主要包括电流检测电路、转速检测电路、整流滤波电路、IPM逆变电路和键盘显示电路。(3)利用C语言及汇编语言对系统进行编程。设计了软件控制的主程序流程图及各中断子程序流程图。研究了SVPWM中断子程序的流程及各模块的实现，给出了相应的程序及各模块实现的流程图。