基于DSP控制的多相交流電機變頻調速系統

吳偉亮，葛寶明，孫東森，畢大強

(1.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044；2.清華大學電機系 電力系統國家重點實驗室，北京100084)

1 引言

隨著各種變換電路的出現以及功率變換技術的發展，使得由多相功率變換器和多相電機組成的多相電機調速系統的實現和應用成為可能。多相電機調速系統具有比三相電機調速系統更優越的性能，它可以用低壓功率器件實現大功率，從而避免功率器件串聯帶來的靜態、動態均壓問題；可以減小轉矩脈動的幅值、增加脈動的頻率，從而改善系統的動、靜特性；可以采用相冗余概念來改善驅動系統的可靠性。經過專門設計，多相電機調速系統還可以實現極相調制控制(PPM)[1，2]，擴展轉矩/轉速范圍。

隨著電機相數增加，PWM驅動信號會成倍增加，目前一些常用的電機專用控制芯片，如TMS320LF2407A及TMS320F2812，至多能提供16路PWM信號。文獻[3]和[4]采用一種PWM IP核的多路PWM發生器設計方法，需要利用FPGA中多個寄存器，沒有充分利用DSP中的PWM產生單元，實現復雜。

本文以9繞組PPM感應電機為對象，建立了其數學模型，研究了其極相變換控制。以TMS320LF2407A為處理器，用XC95288XL擴展PWM信號通道，構建了PPM感應電機控制系統，進行了實驗驗證。

2 PPM感應電機數學模型

對于一個9繞組結構的PPM感應電機[1]，定子和轉子的激磁電感矩陣為：

定轉子的漏感矩陣為：

其中l為電機鐵心的有效長度，r為電機定子的內半徑，μ0為真空磁導率，g 為氣隙長度，lδs為定子繞組的漏感，lδr為轉子繞組的漏感。

定、轉子電感矩陣為：

定子側對轉子側的互感Lsr為

式中θm為定、轉子對應相繞組之間的機械角度差。轉子側對定子側的互感為Lrs=LTsr。

式中：Te為電磁轉矩；TL為負載轉矩；J為機電系統的轉動慣量；ωm為機械角速度。

3 PPM感應電機控制系統

圖1 為PPM感應電機開環控制系統，以DSP為核心，通過EVA和EVB同步工作，產生9路獨立的PWM信號，通過CPLD得到18路PWM，經過光耦隔離和功率驅動電路后，控制9相逆變橋開關管的導通與關斷。

本文采用開環V/f控制算法實現PPM感應電機的變頻調速，并完成變極切換過程。變頻器輸出的供電電壓為：

圖1 PPM感應電機開環控制系統

式中：Um為電源電壓幅值；f為電壓頻率；λ為變極系數。當λ=0時，電機工作在3相12極工況，產生互差120°的3相電流，形成12極旋轉磁場；當λ=1時，電機工作在9相4極工況，產生9相互差40°的相電流，形成4極磁場；當0<λ<1時，電機工作在過渡過程，此時電機電壓為兩者的綜合，4極磁場和12極磁場共存，在供電頻率相同時，4極磁場旋轉速度是12極磁場的3倍。

4 系統主電路及驅動實現

如圖1所示，系統硬件電路由變頻主電路、功率驅動電路、光耦隔離電路、保護電路、DSP控制電路和CPLD擴展電路組成。

主電路包括整流、濾波、逆變三個部分。C01和C02為直流母線電容，R11和R12為均壓電阻。逆變電路由3塊6單元的IGBT模塊組成，電阻R13，R14，R15為過流檢測電阻。

驅動電路采用3個帶有2.5 μs死區時間的IR2130，如圖2所示。IR2130本身帶有過流、過壓和欠壓保護功能，其與DSP之間接入高速光電耦合器HCPL2531。

圖2 IR2130驅動電路

5 系統軟件設計

對圖1所示的PPM電機驅動系統采用V/f控制，SPWM采用不對稱規則采樣法，計算公式為：

各相導通時間為二者的和。其中，i=0,1,…8；當k=1時，產生9相SPWM信號,PPM感應電機工作在9相4極；當k=3時，產生3相SPWM信號，PPM感應電機工作在3相12極。

系統程序由主程序和定時器下溢中斷子程序組成。定時器下溢中斷子程序根據V/f曲線計算調制度m、各相電壓相位角、各相導通時間，并給出T1CMP～T3CMP，CMPR1～CMPR6這9個寄存器賦值。

6 仿真與實驗結果

實驗用9繞組PPM感應電機參數為：PN=5.5 kW；IN=12.8 A；U3Phase=45 V；U9Phase=160 V；fN=50 Hz；nN=1 440 r/min。 L1m=0.118 9 H，L3m=0.010 24 H，lδr=0.001 H，lδs=0.001 H，rs=0.672 Ω，rr=1.281 Ω，J=0.05 kgm2。

圖3 為該電機的仿真結果，電機都運行于50 Hz，30 V電壓。其中，圖3（a）為電機運行于3相12極的穩態電流；圖3（b）為電機運行于9相4極的穩態電流；圖 3（c）、（d）為兩種極數下的轉速和轉矩波形。

在實驗中，逆變器輸出的定子電壓頻率從5 Hz逐漸增加到50 Hz，電機運行在3相12極；在50 Hz的情況下，改變變極系數λ，電機從3相12極逐漸過渡到9相4極運行。整個過程中，電機均采用開環V/f控制。

圖3 PPM電機空載運行

圖4 開環V/f控制的PPM系統實驗結果

圖4（a）、（b）分別為 3 相 12 極、9 相 4 極的線電壓（uab，ubc，ucd）和相電流波形,圖 4（c）為過渡過程相電流波形。

從圖 3（c）、（d）可見，PPM 感應電機的轉速、轉矩范圍變寬；圖 4（a）、（b）中線電壓間的相位差體現了電機的PPM運行，圖 4（a）中3相12極的穩態相電流幅值較大，圖4（b）中9相4極的穩態相電流幅值較小，與仿真結果圖3一致。圖4（c）體現了電機從3相12極到9相4極漸變的過渡過程，繞組電流幅值先由3相12極穩態電流逐漸增大，并逐漸過渡到9相4極，然后電流逐漸減小，達到穩態。

7 結論

本文研究了多相感應電機的變極變相運行控制，建立了其數學模型，分析了其V/f控制方法。建立了硬件系統和仿真模型，通過Matlab仿真和實驗結果驗證了多相電機調速系統，電機轉矩/轉速范圍得到擴展，從而改善了電機性能。

[1]孫東森,葛寶明,畢大強.極相調制異步電機的繞組設計及性能比較[J].電機與控制學報,2010,14(8):81-86.

[2]John M Miller,Victor Stefanovic.Design consideration for an automotive integrated starter–generator with pole-phase modulati-on.IEEE Industry ApplicationsConference,Chicago,Illinois,USA,2001,（4）:2366～2373.

[3]劉東,黃進,陳高,楊家強,袁寶成,姜海博.FPGA在大功率多相變頻調速系統中的應用[J].電機與控制學報,2010,14(6):51-55.

[4]胡海兵,姚文熙,江輝鴻,刑巖,呂征宇.任意路通用PWM波形發生器的設計[J].電工技術學報，2008,23(12):115-119.