基于DSP三相交流電動(dòng)機(jī)矢量控制的軟件設(shè)計(jì)

底群

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西西安　710032)

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基于DSP三相交流電動(dòng)機(jī)矢量控制的軟件設(shè)計(jì)

底群

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西西安710032)

摘要:介紹了全數(shù)字式三相交流電動(dòng)機(jī)矢量控制的軟件設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)中完成了主程序和PWM時(shí)基、A/D轉(zhuǎn)換及故障中斷子程序的設(shè)計(jì)，在PWM時(shí)基中斷子程序設(shè)計(jì)中重點(diǎn)敘述了PWM矢量控制實(shí)現(xiàn)的具體方法。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用SVPWM開環(huán)控制運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)后采樣電機(jī)定子電流，進(jìn)行Clarke變換和Park變換。結(jié)果表明，三相交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)快，調(diào)速范圍寬，精度高。

關(guān)鍵詞:數(shù)字信號(hào)處理器;三相交流電動(dòng)機(jī);矢量控制

現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了電氣傳動(dòng)技術(shù)的革新。近幾年，單片機(jī)數(shù)字控制技術(shù)逐漸取代模擬控制技術(shù)，使交流電機(jī)變頻調(diào)速以其效率高、功率因數(shù)大及調(diào)速優(yōu)和啟動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外公認(rèn)的最有發(fā)展前途的調(diào)速方式之一［1］。

1　矢量控制的程序設(shè)計(jì)

軟件由主程序、中斷服務(wù)子程序組成。主程序?qū)崿F(xiàn)芯片的初始化、各個(gè)子模塊的初始化等功能。中斷服務(wù)子程序包括A/D轉(zhuǎn)換、PWM(脈沖寬度調(diào)制)時(shí)基、故障和錯(cuò)誤陷阱中斷等。

在程序設(shè)計(jì)中，對(duì)需要用到的一些參數(shù)作如下說明:軟件設(shè)定一個(gè)載波頻率為10～20kHz，這個(gè)頻率段正弦逼近程度是最好的，而且在IPM開關(guān)頻率之內(nèi)。該控制器的MCPWM模塊有3對(duì)PWM口，其中H為高端接IGBT(絕緣柵雙極晶體管)的上橋臂，L為低端接IGBT的下橋臂，采用中心對(duì)齊模式發(fā)出PWM控制信號(hào)，該系統(tǒng)將在每一個(gè)周期里產(chǎn)生2個(gè)線－線脈沖，有效開關(guān)頻率加倍，紋波電流減小，但并沒有增加功率器件的開關(guān)損耗。通過死區(qū)寄存器DTCON1把死區(qū)時(shí)間定為2μs。Fcy(指令時(shí)鐘) = Fosc(晶振頻率) /4，使用XT振蕩器4倍頻PLL(鎖相環(huán))，所以4倍頻PLL后，F(xiàn)cy= Fosc，這樣可以提高分辨率［2］。

1.1主程序設(shè)計(jì)

主程序的作用是完成W寄存器、堆棧、QEI及各變量的初始化。其框圖如圖1所示。

圖1　矢量控制主程框圖

1.2矢量控制的PWM時(shí)基中斷子程序設(shè)計(jì)

PWM時(shí)基中斷子程序框圖如圖2所示。

圖2　PWM時(shí)基中斷子程序框圖

PWM矢量控制的具體實(shí)現(xiàn)辦法:

1)每N (本文取24，可調(diào)節(jié))個(gè)PWM周期計(jì)算一個(gè)電機(jī)速度。

2)啟動(dòng)方式采用SVPWM開環(huán)控制，運(yùn)行M(本文取0～10 000，可調(diào)節(jié)。10 000個(gè)PWM周期=1s)個(gè)PWM周期(從啟動(dòng)起就開始檢測(cè)電流值，每個(gè)PWM周期進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采樣A，B相電流值)，進(jìn)行Clarke變換和Park變換，計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈位置。

3)系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)后采樣電流信號(hào)，進(jìn)行Clarke變換和Park變換。進(jìn)入閉環(huán)第一個(gè)PWM周期直接調(diào)節(jié)電機(jī)速度，以后每N個(gè)PWM周期調(diào)節(jié)一次電機(jī)速度，把啟動(dòng)的最后一個(gè)Uα(定子靜止兩相α電壓分量)和Uβ(定子靜止兩相β電壓分量)用Park變換成電流調(diào)節(jié)前一次的累積值，啟動(dòng)的最后一個(gè)T軸電流值作為速度PI前一次的累計(jì)值，每個(gè)PWM周期都計(jì)算轉(zhuǎn)子角位置和調(diào)節(jié)電流，電流調(diào)節(jié)出來的以定子電流角頻率ωS速度旋轉(zhuǎn)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)MT坐標(biāo)系的M和T參考電壓利用Park變換轉(zhuǎn)換成Uα和Uβ。

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用SVPWM開環(huán)控制。本文選用7段式電壓空間矢量PWM波形。由3段零矢量和4段相鄰的兩個(gè)非零矢量組成，3段零矢量分別在PWM波的開頭、中間和結(jié)尾，如圖3所示。其中每個(gè)扇區(qū)Ux，Ux±60的選擇順序?yàn)榈?扇區(qū): Ux= U0，Ux±60= U60;在第1扇區(qū): Ux= U120，Ux±60= U60;在第2扇區(qū): Ux= U120，Ux±60= U180;在第3扇區(qū): Ux= U240，Ux±60= U180;在第4扇區(qū): Ux= U240，Ux±60= U300;在第5扇區(qū): Ux= U0，Ux±60= U300。

利用平行四邊形法則，不同的矢量組合可以合成新矢量。設(shè)相鄰兩個(gè)為U1和U2，零矢量為U0，合成新矢量為Uout，矢量作用時(shí)間分別是t1，t2，t0。TPWM是PWM脈沖周期。根據(jù)Uout，Ux和Ux±60投影到平面直角坐標(biāo)系Oαβ中的公式:

圖3　七段式SVPWM的PWM波形

推導(dǎo)得到計(jì)算公式:

在每個(gè)PWM周期中計(jì)算出下一個(gè)PWM周期的占空比寄存器的值，還要計(jì)算磁鏈位置，以免進(jìn)入閉環(huán)后產(chǎn)生磁鏈誤差，影響Park變換和逆變換的準(zhǔn)確性。啟動(dòng)子程序框圖如圖4所示。

圖4　啟動(dòng)運(yùn)行子程序框圖

閉環(huán)子程序用來完成矢量雙閉環(huán)控制。矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)方案如圖5所示。

圖5　矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)方案

閉環(huán)子程序框圖如圖6所示，具體思路如下:

圖6　閉環(huán)運(yùn)行子程序框圖

1)經(jīng)過霍爾電流傳感器測(cè)得逆變器輸出的定子電流iA，iB，通過DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，利用式iC=－(iA+ iB)計(jì)算出iC。電流iA，iB，iC經(jīng)過Clarke變換和Park變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量iM，iT，這兩個(gè)分量成為電流環(huán)的負(fù)反饋量。

2)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移利用4倍頻的1 024線增量式編碼器測(cè)量得出，并且將它轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速n 的PU值。轉(zhuǎn)速n成為速度環(huán)的負(fù)反饋量。

3)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速是異步的，因此采用電流－磁鏈位置轉(zhuǎn)換模塊得出轉(zhuǎn)子磁鏈位置，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和定子電流M，T坐標(biāo)系的分量iM，iT已知時(shí)，就可以求出轉(zhuǎn)子磁鏈位置θ，來參與計(jì)算Park變換和逆變。

4)速度PI調(diào)節(jié)器給定轉(zhuǎn)速nref與轉(zhuǎn)速反饋量n的偏差，輸出用于轉(zhuǎn)矩控制的電流T軸參考分量iTref。電流PI調(diào)節(jié)器調(diào)整電流反饋量iT，iM與iTref和iMref，采用恒定磁場(chǎng)，設(shè)其值為0的偏差，分別輸出M，T旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相電壓UMref和UTref。UMref和 UTref再經(jīng)過Park逆變換轉(zhuǎn)換成為在α，β直角坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量Uαref和Uβref。

5)當(dāng)定子相電壓矢量的分量Uαref，Uβref和它所在扇區(qū)數(shù)已知時(shí)，使用7段式電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)來控制逆變器［3］。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換完成中斷子程序設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換完成中斷子程序框圖如圖7所示。本文采用的DSP芯片擁有10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，用來采樣電流反饋值。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用兩路同時(shí)采樣;參考電壓為芯片內(nèi)部0～5V; PWM特殊事件觸發(fā)時(shí)保證A/D和PWM同周期;轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期設(shè)置為1個(gè)Tcy。

圖7　A/D轉(zhuǎn)換完成中斷子程序框圖

具體方法:把兩只霍爾電流傳感器的輸出端連接到電壓轉(zhuǎn)化板，使其輸出的電壓值能被調(diào)整到芯片參考電壓范圍之內(nèi)，然后把對(duì)應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換板的兩個(gè)輸出端連接到A/D轉(zhuǎn)換引腳。到采樣時(shí)刻時(shí)從緩沖寄存器中讀取電流采樣值，完成A，B相的電流采樣［4］。

1.4故障處理中斷子程序設(shè)計(jì)

故障處理中斷子程序框圖如圖8所示。故障處理是控制系統(tǒng)的重要組成部分。對(duì)于任何系統(tǒng)來說，都不可能一直穩(wěn)定運(yùn)行，在未知的某一時(shí)刻就會(huì)有想象不到的故障產(chǎn)生。如果故障未被處理后果可能不堪設(shè)想，所以故障檢測(cè)必須時(shí)時(shí)進(jìn)行。本文的故障主要是由IPM的過熱、過壓、過流、直通產(chǎn)生［5］。

圖8　故障處理中斷子程序框圖

處理方法:驅(qū)動(dòng)電源的IPM故障信號(hào)引腳接到開發(fā)板的FAULT引腳，當(dāng)遇到故障的時(shí)候，IPM低電平輸出10mA、寬度為1.8ms的脈沖信號(hào)。信號(hào)一產(chǎn)生立即停止PWM時(shí)基，使系統(tǒng)停止工作，同時(shí)點(diǎn)亮一盞LED小燈作為提示。否則循環(huán)輸出故障信號(hào)容易損壞驅(qū)動(dòng)電源模塊。

2　系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)后，獲取采樣電流，測(cè)量反饋轉(zhuǎn)速，計(jì)算轉(zhuǎn)角的位置，通過速度、電流的PI調(diào)節(jié)，利用SVPWM技術(shù)完成矢量的雙閉環(huán)控制。當(dāng)電機(jī)的實(shí)際速度值達(dá)到設(shè)定的速度值時(shí)，電機(jī)保持平穩(wěn)運(yùn)行，然后在數(shù)據(jù)空間記錄編碼器反饋的速度值，直到手動(dòng)停止程序?yàn)橹埂?/p>

圖9是矢量雙閉環(huán)控制的電機(jī)速度波形，它是芯片記錄的2 500個(gè)由編碼器采集到的速度值。電機(jī)的速度在25個(gè)PWM周期(2.5ms)調(diào)節(jié)一次，啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間大約為0.6s(可根據(jù)要求調(diào)整)。試驗(yàn)結(jié)果表明:電機(jī)速度上升時(shí)間大約在0.3s，峰值時(shí)間在0.8s左右，且超調(diào)量非常小，大約為0.1%，幾乎無震蕩;調(diào)整時(shí)間為0.84s左右;電機(jī)定子電流變化也較小，并且穩(wěn)定后其波形接近正弦波形，矢量控制電機(jī)運(yùn)行非常穩(wěn)定［6］。需要說明的是，因編碼器干擾等原因，電機(jī)的速度值存在2%以下的誤差(電機(jī)轉(zhuǎn)速為50～1 400r/min)。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本控制系統(tǒng)速度響應(yīng)快，運(yùn)行平穩(wěn)，穩(wěn)定時(shí)速度誤差小，說明系統(tǒng)運(yùn)行良好。

圖9　矢量控制的電機(jī)速度波形圖

3　結(jié)束語

本系統(tǒng)利用DSP實(shí)現(xiàn)三相交流電動(dòng)機(jī)矢量控制。軟件由主程序、中斷服務(wù)子程序組成。在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，電機(jī)啟動(dòng)快速，運(yùn)行平穩(wěn)，具有較寬的調(diào)速范圍，精度較高，滿足了對(duì)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。采用矢量控制可以提升交流電機(jī)的調(diào)速性能，適用于靜態(tài)性能要求高的應(yīng)用系統(tǒng)，而且控制軟件采用電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，模塊化編程，便于日后的軟件升級(jí)和修改。

參考文獻(xiàn):

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［2］李瑾.基于DSP的異步電動(dòng)機(jī)SVPWM控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)［J］.礦山機(jī)械，2012(3) :100－105.

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The software development of DSP three－phase AC motor based on vector control

DI Qun
(Department of Mechanical and Electrical Engineering，Xi＇an Vocational and Technical College，Shaanxi Xi＇an，710032，China)

Abstract:It introduces the software development of the full digital three phase AC motor vector control.The software system includes the main program，PWM time base，A/D conversion completion and fault interrupt subroutine.It shows the detail about PWM time base interrupt subroutine design.It uses SVPWM open－loop operation to start the motor，then conducts current sampling in the closed－loop process，and realizes the Clarke transformation and Park transformation.The results show that the three－phase AC motor starts faster in a wider range of rotational speed modulation with high precision as well.

Key words:DSP; three－phase AC motor; vector control

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.008

作者簡介:底群(1977—)，男，陜西咸陽人，西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事單片機(jī)應(yīng)用的教學(xué)與研究工作。

收稿日期:2015－04－17

中圖分類號(hào):TM930.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095－509X(2015) 06－0032－04