交流電機調速系統研究與設計

魏成崗

摘要：電機是工業生產中最常用的一種動力設備，隨著精細化生產的逐漸推廣，各種生產場合對動力供給的質量提出了更高的要求，以往的電機調速系統在穩定性和精確性方面存在不足，必須加以改進。本文將DSP技術同SPWM技術進行了有機結合，共同完成了交流電機的動態調速工作，并對相關的系統進行了設計，具有一定的參考價值和推廣意義。

關鍵詞：交流電機；調速；DSP；SPWM

交流電機的使用非常廣泛，幾乎出現在我國的各種生產領域內，為我國生產力的發展提供了有力的支撐。對交流電機動力供給模式的不斷改進，對其控制策略的不斷優化一直是電氣自動化領域研究的熱點，而其中影響最廣泛，效果最明顯的就是對交流電機的調速系統進行實時化的動態控制。調速系統的存在，可節約大量的能源損耗，是交流電機以最合適的速率運轉，從而提高其靈活性，為不同的動力需求場合提供最合適的動力源。本文從交流電機的變頻調速系統入手，研究其運行的基本原理，并提出采用SPWM技術和DSP技術對現有的交流電機調速系統進行優化，設計了切實可行的系統結構和操作方案，經過實踐證明，該系統的引入，有效的提高了交流電機調速工作的快捷性和準確性，并可對能耗進行合理的控制，降低了生產成本。

一、SPWM技術

SPWM指的是正弦脈寬調制波技術，其功能是將工業上常用的正弦波信號轉化為各種電氣設備更容易解析的脈沖波信號，從而在自動化控制領域可以發揮重要的提高響應速度的作用。其基本原理是采用一系列的等寬度的等腰三角形波與正弦波疊加對照參考，這兩種波形的交點即為控制點，從而形成開關量，對被控對象進行導通與關閉的控制，當正弦波取值大于三角波時取值，即控制激活逆變器的開關管導通；當正弦波取值小于三角波時取值，則控制激活逆變器的開關管斷開，逆變器根據開關間隔的選擇而產生等幅不等寬的脈沖波信號。

針對工業中對調速工作靈活性的需求，因此引入變頻技術。該技術的核心理念是通過頻帶的劃分而形成不同的控制區域，眾所周知，無論何種信號都具有頻率，控制指令信號也是一樣，通過事先規定好不同指令具有的特定的頻率，就可讓調速系統根據收到信號的頻率處于哪一個頻帶來判斷控制臺發出的是何種指令，隨后對該指令作出相應，轉化為對應的電壓信號進行輸出，實現對電機的靈活調控。

二、交流電動機的調速原理

轉速公式：（1）

式中各項因子如下：f：電源頻率；p：電動機磁極對數；s：轉差率。

通過上式中各個參數之間的關系可以得出以下結論，對交流電機的調速操作，可以通過改變上式中的三個參數來完成，以此對應三種調速方法，分別為：

（一）變極調速，其原理是通過改變電機定子繞組的極數來完成調速。這一方式最大的缺點是過于死板，其調速工作受到了極大的限制，只能在有限的幾個固定速率間切換，無法根據生產系統的動態變化靈活的調節電機速度，使用范圍相對較小。

（二）變轉差率調速，該方法最大的缺點是系統能耗高居不下，極大的提高了生產成本，浪費了大量的能源。而不斷地減低能耗，提高系統的運轉效率，降低運行成本已經成為廣大工業用戶在選用控制系統時的首要目標，因此該種方式將自身的最大優勢給抵消了，故同樣沒有得到推廣，且該方案只能針對旋轉磁場同步轉速恒定的電機才有效。

（三）變頻調速，即本設計所采用的調速方式，此方式是通過調節供電電源頻率來實現對電動機的調速，其效率和能耗明顯優于上述兩種調速方式。

三、系統硬件設計

硬件設計的主體結構如下圖所示，主電路由整流濾波電路和SPWM逆變電路兩個部分組成。其工作原理是把輸入的單相交流電壓通過整流濾波電路變為平滑的直流電壓，然后再通過逆變電路對該直流電壓進行斬波，形成電壓和頻率均可調的三相交流電供電機使用。

（一）控制電路模塊

控制電路模塊采用TMS320LF2407A型號DSP。它的優點在于可以將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，簡化了電路設計方案，提高了控制系統的運算速度，主要包括：電源電路、時鐘電路、復位電路、接口JTAG電路、擴展SRAM等。

（二）調速系統的軟件模塊

該系統平臺以功能為核心，將各個部件合理分割，成為不同的功能模塊，極大地降低了系統各環節之間的耦合性，提高了系統的靈活性和可靠性。模塊之間通過接口編程來實現互通連接，大體上由兩部組成：上位機監控程序和下位機控制程序。上位機面向用戶，向用戶提供簡潔明了的人機操作界面，完成對用戶控制指令的讀取和解析，同樣實現對PC機串口的讀寫操作；下位機負責串口通信、SPWM輸出、故障監控等功能，以下為主要工作流程：

首先，主程序主要負責DSP初始化、串口接收發送、循環等待等。

1.串口通信中斷服務程序。串口通信中斷服務程序負責接收上位機發送的參數給定信息，然后將該信息送給DSP控制系統進行處理。

2. SPWM中斷服務程序。SPWM中斷服務程序負責根據給定頻率完成SPWM波形的產生，是整個系統設計的關鍵，其程序流程如圖2所示。

3.故障中斷服務程序

故障中斷服務程序負責接收PDPINT引腳的故障信號，當接收到故障信號時立刻封鎖PWM輸出，斷開主電路并顯示相應的故障，避免系統和IPM功率模塊燒壞。

四、結束語

目前，在交流電機的變頻調速領域研究較多，已經形成多個系列的控制策略，由于技術選型和被控對象的不同，這些控制策略也各有優缺點。本文選取DSP和SPWM技術為核心，最大限度的利用了DSP靈敏度高、可控性強、穩定性好的特點，對交流電機的調速系統進行優化和改進。通過大量的實踐證明，本系統可明顯的提高交流電機的調速質量，系統響應速度快，調節精度高，同時可有效的節約系統的能耗。相信隨著自動化技術、信息技術、人工智能技術的不斷發展與融合，未來會出現更加優秀的控制方案，進一步提高交流電機調速工作的質量，為我國的現代化工業生產做出更多的貢獻。

參考文獻：

[1]張毅剛，趙光權.DSP原理、開發及應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2009.

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