DSP在三相交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中的應用

季文彪，王步來，高 鵬，高 響

（上海海事大學電氣工程學院，上海 201306）

0 引言

交流異步電機的調(diào)速方法一般包括調(diào)壓調(diào)頻法、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是高性能變頻調(diào)速領域的主流方法［1］。隨著工業(yè)生產(chǎn)對調(diào)速性能要求的提高，尤其一些需要實時速度跟蹤和速度跟蹤精度要求高的場合，多采用矢量控制調(diào)速。

TMS320F2812是TI公司專門為了控制電機而研發(fā)出的信號處理器(DSP)。它在速度計算和電壓電流采樣方面都有相應的模塊［2］。文獻［3］介紹了以DSP為核心的控制系統(tǒng)的開發(fā)，基于矢量控制理論，實時檢測電機的定子電流，用光電編碼器檢測并計算出電流，通過DSP的各個模塊檢測出數(shù)據(jù)并反饋到DSP中來。在實時調(diào)試中還可以對程序特定參數(shù)進行修改，以觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應特性，同時可以測量電機的電壓、電流、頻率、速度等參數(shù)［3］。本文以DSP控制的220 V/50 Hz/1.5 kW三相交流異步伺服電機為例，介紹其控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1 控制系統(tǒng)的硬件設計

基于F2812DSP的矢量控制通過算法把勵磁和轉(zhuǎn)矩解耦控制，其核心是磁鏈檢測［4］，整個硬件框圖如圖1。硬件電路大致分成圖中所示幾個模塊，下面簡述關鍵的兩個電機實時量的檢測。

圖1 控制系統(tǒng)硬件框架

1.1 電流檢測

霍爾電流檢測模塊使用ACS721芯片，檢測電機的兩相電流，把檢測出的數(shù)值通過硬件調(diào)理電路控制到0～3 V，之后輸入到DSP的ADC的相應管腳，這里DSP程序控制字設置AD0和AD1作為數(shù)據(jù)的輸入口。電流檢測電路如圖2。

1.2 轉(zhuǎn)速檢測

圖2 電流檢測

轉(zhuǎn)速檢測使用增量式光電編碼器，本實驗室采用的是光洋電子TRD-2T/2TH系列編碼器，該編碼器轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生1024個脈沖，通過檢測脈沖的上升沿下降沿計算轉(zhuǎn)速，光電編碼器得到的脈沖波形通過DS3486M正交線性接受器調(diào)理波形，最后輸出和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向以及原點位置及相對角位移相關的數(shù)字信號A+，B+，Z+。轉(zhuǎn)速檢測部分硬件電路如圖3。

圖3 轉(zhuǎn)速檢測

2 矢量控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

圖4給出了矢量系統(tǒng)編程的設計框圖，根據(jù)該模塊的形式進行模塊化編程。

圖4 軟件框圖

以下重點討論電機轉(zhuǎn)速計算和電流采樣的程序設計。

2.1 電流采樣程序設計

TMS320F2812的ADC包含控制寄存器，最大轉(zhuǎn)換通道寄存器、序列狀態(tài)寄存器、狀態(tài)標志寄存器、通道選擇序列控制寄存器以及結(jié)果寄存器和結(jié)果緩沖寄存器。該型號DSP有16個采樣通道，具有12位的ADC內(nèi)核，通過各個相關控制寄存器的設置可以設定采樣方式，在程序的開始應先對其中一些寄存器進行初始化［5］。ADC的部分初始化程序如下:

2.2 轉(zhuǎn)速計算程序設計

轉(zhuǎn)速測量一般有M法、T法和M/T法。雖然M/T法最復雜，但它在進行轉(zhuǎn)速測量時可以充分利用片上豐富的資源，再加上DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力，使得M/T法測速的精度無論在低速和高速狀態(tài)下都很高。該測速方法用到捕獲功能模塊、正交編碼接口模塊。圖5為測速流程圖。

圖5 軟件流程

測速采用兩個計數(shù)器工作，T2為QEP輸入的4倍脈沖計數(shù)，T1為EVA高速計數(shù)時鐘。M1通過T1得到，M2通過T2得到，配合抓捕功能，精確得到在兩個捕獲時間段里的脈沖數(shù)，最后求得轉(zhuǎn)速。下面給出部分轉(zhuǎn)速初始化程序和計算程序。

3 實驗結(jié)果

本系統(tǒng)所用實驗平臺的控制電機參數(shù):額定功率1.5 kW，額定電流 6.4 A，額定電壓 220 V，額定頻率50 Hz，極對數(shù)np=2，通過改變給定速度和改變負載轉(zhuǎn)矩看到轉(zhuǎn)速的跟蹤變化和穩(wěn)定。圖6、圖7、圖8是實驗中得到的SVPWM算法T1、T2波形，一相電流波形和此時的轉(zhuǎn)速。

由圖7可知，一相電流是正弦波，在給定功率為0.56 kW情況下的同步轉(zhuǎn)速是840 RPM，圖8是加轉(zhuǎn)矩后的速度，在慢慢減小負載轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)速在實際過程中漸漸接近840RPM。實驗證明了控制系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)束語

圖6 SVPWM波形

圖7 一相電流波形

圖8 電機轉(zhuǎn)速

本文通過CCS3.3模塊化編程把控制要求輸入DSP中。DSP仿真板、功率驅(qū)動板、異步電機共同組成了電機的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，因為采用模塊化編程，控制算法只要稍加修改，便可以用于其他的控制算法研究，具有一定的通用性。

［1］魏 新，陳大躍，趙春宇.交流電機調(diào)速實驗系統(tǒng)的PC端監(jiān)控程序設計［J］.計算機工程，2006，32(8):247.

［2］冬 雷.DSP原理及電機控制系統(tǒng)應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［3］王曉明，王 玲.電動機的DSP控制以及TI公司DSP應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

［4］劉 燕，邵曉強.異步電機矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁鏈間接檢測方法［J］.微電機，2001，34(2):27-29.

［5］謝青紅.TMS 320 F28x DSP原理及其在運動控制系統(tǒng)的應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.