基于數字信號處理器的電機變頻調速控制系統

孟祥吉甘克宇

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程服務公司，吉林 松原 138000， 2.大慶鉆探工程公司鉆井四公司 吉林 松原 138000）

交流電機的數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，采用傳統的控制策略對其進行控制時，往往造成調速系統的動態性能差，調節器參數很難準確設計等諸多弊端。許多專家對此進行潛心研究，2O世紀7O年代德國西門子公司的F.Blasschke等人提出感應電機磁場定向的控制原理，在以后的實踐中不斷改進，逐漸形成了矢量控制變壓變頻調速理論。隨著電子器件的快速發展，特別是數字信號處理器的誕生，該理論逐步進入到實用化階段，現已成為高性能變頻調速系統的首選方案，與傳統的控制方法相比，具有控制精度高、調速性能優良等優點。矢量控制的方式主要有2種：轉速閉環、磁通開環，轉速、磁通都閉環。本系統以TI公司的電機控制專用芯片TMS32OF24O為核心，采用了轉速和磁通都閉環的矢量控制策略，電路結構簡單，實現方便。實驗結果表明，系統的軟硬件設計合理，控制精度高，實現了恒轉矩控制且具有很寬的調速范圍。

本系統采用了VVVF的變頻控制方法，在電機驅動中，廣泛應用了PWM控制技術，該技術就是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成脈沖列，并通過控制脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓、變頻及控制和消除諧波的目的。

1 系統軟件實現

在軟件實現時，SVPWM波形的實時調制需要給定參考兩相靜止坐標系上的兩個正交電壓分量 vSαref和 vSβref，直流母線電壓 VDC，以及PWM周期T。

（1）判斷矢量 vSref所處的扇區通過分析 vSαref／vSβref值與 vSαref和 vSβref的關系，可得到如下規律：

則扇區SECTOR＝A＋2B＋4C

（2）計算逆變器相鄰兩電壓空間矢量工作導通時間T1、T2，為方便說明，定義中間變量X、Y、Z

在線性工作區對于不同扇區對應的工作周期T1、T2按表1取值：

在非線性區飽和情況下的計算：

其中PWMPRD為周期寄存器的值，在控制程序中該值為1000。

（3）計算三個所需的工作周期，表示如下：

根據扇區，把正確工作周期（TX）分配給電機的正確相，即正確的CMPRX。下表2給出了確定方法。

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2 實驗結果

本文將控制器輸出通過IGBT模塊直接驅動電機。該電機為三相交流異步電機（380 V，30kW），定子線圈采用星型接法，并帶直流發電機110V，3kW作為負載，使用Tektronix記憶示波器TDS340 A（100 MHz），110的探頭。DSP控制板輸出PWM波形和濾波后的電壓波形及帶負載測得的電流波形如圖2。

圖2 控制器輸出的PWM波形

結論

本系統對交流電機的變頻調速控制，開關頻率高，諧波分量少。控制過程中每執行一次采樣調用一次中斷，在中斷服務程序中完成信號采樣、鍵盤掃描和全部的計算等任務，在程序等待循環的時間內執行顯示功能，由于指令周期設為50ns，使整個程序完成的時間不到40μs，這樣大大提高了運算效率。與其它單片機，例如51系列，96系列等比較，在實現SVPWM控制時，軟件編寫簡單，每周期內中斷次數少，實時性更好，而CPU的負擔也不到40%，這樣CPU可以實現更復雜、功能更全的控制。

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