水泥包裝機(jī)主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)研究

胡學(xué)芝，劉笑平

(湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北黃石435003)

隨著城鄉(xiāng)建設(shè)步伐的加快，國(guó)家在基礎(chǔ)設(shè)施方面投資的增加，水泥的需求量日益增大，對(duì)水泥包裝的要求，尤其是對(duì)計(jì)量精度和包裝環(huán)境的要求越來(lái)越高。水泥包裝工藝和包裝設(shè)備的更新和改造是提高水泥行業(yè)自動(dòng)化程度的關(guān)鍵所在，水泥包裝機(jī)主軸采用變頻器調(diào)速以適應(yīng)工人工作所要求的轉(zhuǎn)速和節(jié)能降耗?；贒SP 的水泥包裝機(jī)用交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研制，是電機(jī)高性能交流變頻調(diào)速的新技術(shù)之一。本文以DSP 為控制核心，以智能功率模塊作為主電路，采用模糊PI 控制算法，開(kāi)發(fā)了用于水泥包裝機(jī)主軸的交流電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的控制原理、硬件組成、軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該硬件電路的可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，在水泥包裝機(jī)中取得了較好的應(yīng)用效果。

1 矢量控制原理

矢量控制調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示。本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，在理想條件下，列出系統(tǒng)在A，B，C 坐標(biāo)系下的方程，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，變換為M-T 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，使M-T 坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，并使M 軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠较?，T 軸垂直于磁鏈?zhǔn)噶糠较?，則轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩分別由定子電流的勵(lì)磁分量im和轉(zhuǎn)矩分量it獨(dú)立控制，并在轉(zhuǎn)子磁鏈幅值保持恒定時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制［1］。系統(tǒng)由控制環(huán)節(jié)、檢測(cè)環(huán)節(jié)和三相逆變環(huán)節(jié)組成。控制環(huán)節(jié)包括速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)器，分別采用PI調(diào)節(jié)器。檢測(cè)環(huán)節(jié)包括三相電流的檢測(cè)和電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，逆變模塊是采用SVPWM 算法將直流電變換成三相交流電［2］。

圖1 矢量控制調(diào)速系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和硬件組成

由于系統(tǒng)控制過(guò)程中運(yùn)算量大，實(shí)時(shí)性要求高，控制中不僅要進(jìn)行Clarke 變換、Park 變換及其逆變換，而且還要進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的PI 調(diào)節(jié)及SVPWM 算法運(yùn)算，因此本系統(tǒng)選用DSP 作為主控芯片，主電路采用IPM 模塊。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)模式，外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊PI 調(diào)節(jié)器，內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用PI 調(diào)節(jié)模式，使系統(tǒng)達(dá)到更好的控制效果。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 運(yùn)算控制單元

本系統(tǒng)以TMS320F28335 作為核心控制芯片，它是TI 公司最新推出的32 位浮點(diǎn)DSP控制器，具有150 MHz 的高速處理能力，具備32 位浮點(diǎn)處理單元，有多達(dá)18 路的PWM 輸出，其中有6 路為TI 特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，能靈活配置死區(qū)時(shí)間，6 個(gè)DMA 通道支持ADC、McBSP 和EMIF，12 位16通道ADC，其精度和可靠性較TMS320F2812有較大的提高;TMS320F28335 增加了單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)和高精度PWM，且Flash增加了一倍(256 k×16 Bit)，增加了一個(gè)CAN通訊模塊，一個(gè)SCI 接口和一個(gè)SPI 接口;它采用內(nèi)部1.9 V 供電，外部3.3 V 供電，因而功耗大大降低?？傊涮攸c(diǎn)是精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大、A/D 轉(zhuǎn)換更精確快速等，是用于電機(jī)控制的理想芯片。

2.2 功率變換模塊

系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓型變壓變頻電路，主電路分為不控整流和逆變2 部分，逆變部分選用了三菱智能 IPM 模塊PM200CVA060 作為逆變器，該模塊將功率開(kāi)關(guān)IGBT 和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，它包含了6 個(gè)IGBT、6 個(gè)續(xù)流二極管、柵極驅(qū)動(dòng)電路、邏輯控制電路以及欠壓、過(guò)流、短路、過(guò)熱等保護(hù)電路，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)流、短路和欠壓等故障時(shí)，輸出故障信號(hào)至DSP 的PDPINT 中斷口(低電平有效)，DSP 立即作出相應(yīng)的中斷處理，封鎖PWM 輸出并停止運(yùn)行。應(yīng)用時(shí)只需在IPM 控制端口和PWM 信號(hào)之間加入光電隔離電路即可。應(yīng)用IPM 模塊后使整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且可靠性得到了有效提高。

2.3 信號(hào)檢測(cè)

信號(hào)的檢測(cè)主要是轉(zhuǎn)速和電流的檢測(cè)。在本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的檢測(cè)采用2500 線的增量式光電編碼器進(jìn)行檢測(cè)，將所檢測(cè)到的2 路正交脈沖信號(hào)接入TMS320F28335 的正交編碼脈沖輸入單元(EQEP)，DSP 對(duì)脈沖前后沿計(jì)數(shù)，并進(jìn)行4 倍頻后由定時(shí)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由M/T 算法得到當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。衡量光電編碼器的性能指標(biāo)之一是分辨率，對(duì)增量式編碼器而言，常用每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)表示，現(xiàn)已有20～30 000 Pr 等各種分辨率。本系統(tǒng)中DSP 對(duì)光電編碼器輸入的信號(hào)4 倍頻后可達(dá)到每轉(zhuǎn)10 000 次計(jì)數(shù)，檢測(cè)精度高。

與TMS320F2812 相比，TMS320F28335 能提供更準(zhǔn)確的采樣基準(zhǔn)，并能內(nèi)部糾正偏置誤差。由于對(duì)電機(jī)定子電流的檢測(cè)只需檢測(cè)兩相電流，本系統(tǒng)采用高精度的LAH25-NP 型霍爾電流傳感器測(cè)量定子電流，其供電電壓為15V。由于TMS320F28335 的ADC 模塊的輸入電壓范圍是0～3 V，因此應(yīng)將經(jīng)電流霍爾檢測(cè)到的電流信號(hào)調(diào)整為0～3 V 范圍的電壓信號(hào)后再接入DSP 的A/D 采樣端口，定子電流檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 定子電流檢測(cè)電路

3 SVPWM 調(diào)制方法及實(shí)現(xiàn)

本控制系統(tǒng)采用空間電壓矢量調(diào)制方式生成逆變器開(kāi)關(guān)信號(hào)，電機(jī)的相電壓由三相逆變器橋臂上下功率管開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定，而逆變器共有8 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，形成8 個(gè)基本電壓空間矢量，其中6 個(gè)是幅值為2Ud/3、相位依次相差60o的非零矢量，2 個(gè)零矢量。空間矢量關(guān)系圖如圖4所示，8 個(gè)矢量分別是100，110，010，011，001，101，000，111，基本電壓矢量均勻分布在復(fù)平面上，形成正六邊形電壓空間矢量軌跡，為了使正多邊形能進(jìn)一步逼近電壓圓，可利用基本電壓矢量進(jìn)行線性組合來(lái)得到新的電壓矢量，以形成邊數(shù)足夠多的電壓多邊形［3-4］。由圖4 可知，以Ⅰ扇區(qū)為例，任意扇區(qū)要合成參考電壓矢量Uref，可由扇區(qū)兩邊基本矢量和零電壓矢量通過(guò)平行四邊形法則合成，設(shè)PWM 周期為T，t1、t2、t0、t7分別為相U4、U6、U0、U7作用的時(shí)間，則有如下矢量關(guān)系:

根據(jù)平形四邊形關(guān)系，得:

式中Udc為直流母線電壓。

圖4 空間矢量關(guān)系圖

應(yīng)用DSP 產(chǎn)生SVPWM 波時(shí)一般采用矢量合成式SVPWM 法，根據(jù)上式的計(jì)算值確定矢量作用時(shí)間，具體步驟為:首先判斷參考電壓矢量所在的扇區(qū)，然后根據(jù)式(3)～(5)計(jì)算出各電壓矢量作用時(shí)間，最后根據(jù)前面計(jì)算的各矢量作用時(shí)間，確定空間矢量序列生成SVPWM 波。在實(shí)現(xiàn)中為了降低開(kāi)關(guān)損耗，每次從一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換到另一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)保證只有一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作［5］。本系統(tǒng)采用的是7 段式電壓空間矢量PWM 波形，它們是3 段零矢量和4 段相鄰的2 個(gè)非零矢量，3 段零矢量分別位于PWM 波的開(kāi)始、中間和結(jié)尾。以第Ⅰ扇區(qū)為例，每個(gè)PWM 波的零矢量和非零矢量施加的順序，以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間如圖5所示。

圖5 PWM 波形順序

在TMS320F28335 中是使用EPWM 模塊產(chǎn)生PWM 信號(hào)輸出給開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路，EPWM使用軟件生成SVPWM 信號(hào)很方便。本例在EPWM 的設(shè)置中，選用CAPA 設(shè)置觸發(fā)時(shí)刻和觸發(fā)信號(hào)占空比，TBPRD 設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，CMPCTL 設(shè)置計(jì)數(shù)模式。通過(guò)DBFED 和DBRED 設(shè)置死區(qū)單元，避免了上下開(kāi)關(guān)管直通［6］。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要包括主程序與中斷控制子程序，其中DSP 主程序模塊主要完成對(duì)系統(tǒng)和子程序模塊的初始化，如芯片的初始化、變量的定義以及初始化，各種特殊功能模塊的初始化;如輸入輸出口、時(shí)間管理器、系統(tǒng)的啟動(dòng)、停機(jī)的控制、AD 轉(zhuǎn)換的初始化等。主程序流程圖如圖6所示。中斷程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它主要完成電壓、電流的采樣及AD轉(zhuǎn)換，速度檢測(cè)與計(jì)算，電流環(huán)和速度環(huán)的數(shù)字PI 調(diào)節(jié)子程序，Park 變換和逆變換、Clarke變換、磁鏈估計(jì)、SVPWM 信號(hào)生成及對(duì)硬件的軟件保護(hù)等，系統(tǒng)矢量控制程序在中斷中完成。中斷程序流程圖如圖7所示，速度PI 調(diào)節(jié)流程圖如圖8所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 中斷程序流程圖

圖8 速度PI 調(diào)節(jié)流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)采用的參數(shù)如下:電機(jī)額定功率為4 kW，額定轉(zhuǎn)速1 440 r/min，額定電壓為380 V，額定電流為8.8 A，額定頻率為50 Hz。PWM1 與PWM4 的互補(bǔ)波形如圖9所示，死區(qū)時(shí)間不大于2.5 μs。啟動(dòng)時(shí)定子電流波形如圖10所示(定子電流:橫軸為250 ms/格，縱軸為2 A/格;轉(zhuǎn)速:橫軸為250 ms/格，縱軸為400 r/min/格)，啟動(dòng)時(shí)間大約需1.25 s，啟動(dòng)電流比穩(wěn)態(tài)時(shí)約大2 倍。50 Hz 時(shí)定子穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流波形如圖11所示，由圖11 可知其諧波小于0.6%，波形平穩(wěn)，調(diào)速性能理想。

圖9 PWM1 與PWM4 的互補(bǔ)波形

圖10 啟動(dòng)時(shí)定子電流波形

圖11 穩(wěn)態(tài)時(shí)定子電流及其諧波分析

本文研究的是基于高性能的DSP 芯片的水泥包裝機(jī)主軸調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)采用矢量控制模式，由于運(yùn)用TMS320F28335 芯片的片上資源，完成了本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、矢量控制和SVPWM波形生成，它有效地解決了實(shí)際矢量控制實(shí)現(xiàn)時(shí)運(yùn)算量大而引起的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。本方案硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、故障保護(hù)快、動(dòng)態(tài)性能好、控制精度高，應(yīng)用于水泥包裝機(jī)主軸調(diào)速系統(tǒng)中性能良好，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為水泥包裝機(jī)主軸調(diào)速系統(tǒng)更新?lián)Q代提供了好的途徑。

［1］洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB 仿真［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:196-212.

［2］林建洪，周揚(yáng)忠.基于DSP 的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電力電子技術(shù)，2012，46(1):79-81.

［3］陳錢春，阮毅，王仁峰.兩種空間矢量脈寬調(diào)制生成方法的分析與比較［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33(9):34-38.

［4］周衛(wèi)平，吳正國(guó)，唐勁松，等.SVPWM 的等效算法及SVPWM 和SPWM 的本質(zhì)聯(lián)系［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(2):133-136.

［5］何廣明，何鳳有，殷沐林，等.SVPWM 坐標(biāo)分量法的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電力電子技術(shù)，2011，45(11):56-66.

［6］萬(wàn)健如，魏志強(qiáng)，李蓮，等.針對(duì)SVPWM 死區(qū)問(wèn)題一種新的控制方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21(7):105-108.