三相異步電動機變頻調速與仿真

郭剛花

摘 要：該文從交流電機的變頻調速技術入手來達到電機節能運行的目的，嘗試設計出了一種以TMS320LF2407A DSP芯片為控制核心，（IPM）PM25RSB-120為主電路，并采用矢量控制理論的交流電機變頻調速系統。從仿真結果上看出這種控制思想能較為直觀的對磁通和轉矩進行控制進而達到調壓、調速的目的。

關鍵詞：數字信號處理器 智能功率模塊 三相異步電動機 矢量控制

中圖分類號：TM 343 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0118-02

在當今世界發展潮流中，能源問題愈加凸顯，電能作為消耗最多也浪費最多的能源中的一種，長久以來，各國學者專家把如何高效利用電能減少浪費作為研究課題；隨著我國國民經濟的飛速發展，電機應用于國民經濟各個領域，推行高效的節能的電機保證電網穩定和安全運行、電能高效利用已成為必然趨勢。電機調速廣泛存在于我們周圍，其主要分類有直流電機和交流電機。直流電機好控制，因此用在很多場合。電力電子控制器件的發展、各種控制方法在應用上的逐步成熟，未來交流電機應用將遠大于直流電機。

1 調速系統硬件電路的設計

1.1 硬件概述

基于TMS320LF2407A的總體硬件結構圖如圖1所示。

主電路選擇交-直-交電壓型變頻器。整流橋采用二極管三相整流全橋，逆變橋采用IPM作為功率器件，DC-link環節利用大電容濾波。控制電路共兩大部分，TMS320LF2407A DSP核心電路和其外部擴展電路。

1.2 逆變電路模塊設計

考慮到2～2.5倍的安全系數，可取耐壓值為1 200 V。考慮 2～2.5 倍的安全裕量，通態峰值電流取25 A。因此，選用PM25RSB-120型IPM。

1.3 泵升電壓限制電路設計

由于電壓型變頻器很難實現再生制動，可用電阻Rb消耗電機制動過程中產生能量。電機制動時，整流器與逆變器都工作在整流狀態，此時電機發電，電容雙向充電，DC環節的直流電壓（泵升電壓）就會變大，對此電壓不限制，就可能擊穿IGBT。為此要給電動機提供一條降壓路徑。IPM 自帶制動單元，Br、B為其信號出入后， DSP通過圖1中的兩個10 k的電阻 R1、 R2檢測電容器端電壓，測得電壓高于正常直流電壓一定倍數時，DSP 的 I/0 口發出信號，并經過光電隔離觸發IGBT7，使其導通，從而使電容器儲存的能量消耗在制動電阻上。

1.4 轉速檢測電路設計

光電式旋轉編碼器是測量角速度器件，在跟隨電機轉動過程中，通過光柵對光照通道的開放遮蔽獲得頻率與轉速成正比的方波脈沖。處理后都方波脈沖進入DSP的QEP1、QEP2引腳并取時間段計算輸入脈沖個數-M法測速。在這里我們采用OVW2-2048-2MD型旋轉編碼器，它由+5V供電，有A相、B相和Z相。其中A、B相位相差90度，用于測速；每轉一圈輸出2 048個脈沖；Z相用于基準點定位。

1.5 電流檢測電路設計

該文三相定子的電流、中間環節的直流電壓都可以通過電流檢測來實現。選用工作電壓為±15V的CHB5-P型霍爾電流傳感器來檢測電流，它能夠測量±10 A之間的電流。檢測定子電流時，只需2個并行的信號通道來檢測定子的兩相輸入電流。由于DSP I/O口的基準電壓是3.3 V，需要將霍爾電流傳感器檢測到的交流量轉化成為0～3.3 V的直流量。 雙運算放大器LM358、電阻R27、R28、R30 LM366組成電平偏移放大電路。

2 系統軟件設計

該文采用TMS320LF2407A DSP 芯片為控制核心。 系統軟件設計分為主程序和中斷服務子程序兩個模塊，矢量控制的DSP實現如圖2所示。

通過電流傳感器測量IPM輸出的定子A、B兩相電流，經DSP數字化轉換后由三相電流矢量的關系得出C相電流，經過Clarke與Park變換后，三相電流變成兩相同步旋轉坐標下的直流分量ist，ism作為電流環的負反饋。電機轉速則通過光電編碼器經由DSP轉換成轉速。給定轉速與轉速反饋量的差值經過ASR，其輸出作用于T軸的電流轉矩分量ist并與給定轉速n得出轉矩偏差，經過轉矩調節器得到。另由轉子磁通給定值與磁鏈觀測器的輸出經由磁鏈調節器得出。和再經過Park逆變換與2/3變換轉化為成坐標系下的定子三相相電流、和；最后通過電流滯環型PWM變頻器控制PWM波形從而控制電機輸出電流。

3 系統的MATLAB建模和仿真

該文主要運用MATLAB中的SIMULINK依據圖4-1對系統進行了完整的模型搭建。對系統中的電流滯環跟蹤控制器（CHB）、 轉速調節器（ASR）、磁鏈調節器（AR）和轉矩調節器（ATE）以及電流和轉子磁鏈觀測進行了搭建，做出了波形仿真。

3.1 電流滯環跟蹤控制器模塊

由于Relay模塊會使仿真速度變慢，為加快仿真速度，采用數據轉換模塊Conversion以保持輸入輸出數據類型一致。

3.2 電流變換及磁鏈觀測模塊

從abc到qd0轉換時，幅值相差倍，需在abc-dq0后加一個參數為的Gain模塊；此外還要用Terminator模塊把dq0的0軸封鎖。

3.3 系統整體模型搭建及仿真

輸入電機參數如下：UN=380 V，PN=1000W，IN=3.66 A，fN=50Hz，rN=1430r/min，Rs=0.435Ω，L1s=0.002H，Rr=0.816Ω，L1r=0.002 H，Lm=0.069 H，J=1.9 kg/m2，二對極。

（3）

式中，為0dq坐標下定、轉子繞組自感，為轉子自感繞組，為時間常數，總體系統模型如圖3所示。

電機空載啟動，給定值為1，在0.75S時給定一個初值為100，終值為300的階躍信號直觀的觀察三相定子電流變化情況和系統的速度與轉矩輸出波形，如圖4、5所示。

4 結語

該文設計了一個以DSP為控制核心的交流電機變頻調速矢量控制系統，較為系統的給出了三相異步電機變頻調速的基礎理論知識，并從理論框架中提出一種具有可行性的方法作為設計主體思路。最后在一系列的模塊設計后完成后搭建出了SIMULINK仿真模型，結果表明了系統的可行性。

參考文獻

[1] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2] 唐介.電機與拖動[M].北京：高等教育出版社，2007.

[3] 胡壽松.自動控制原理基礎教程[M].北京：科學出版社，2013.

[4] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統-運動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2003.

[5] 阮毅，陳伯時. 電力拖動自動控制系統-運動控制系統[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

[6] 王志新，羅文廣.電機控制技術[M]. 北京：機械工業出版社，2010.