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基于dsp的异步交流电机变频调速

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    dsp 变频调速 交流异步电机

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    船电技术 2005 年 第 2 期 25 基于 DSP 的交流异步电机变频调速系统的实现 高水华1 閤先华1 聂俭2 (1中船重工集团公司712研究所 武汉 430064 ; 2经纬纺机股份有限公司 武汉 430000) 摘 要:本文介绍交流异步电机变频调速的基本控制模式。说明基于 DSP 的系统总体硬件构成,给出了软件实现方 法和实现关键算法的基本思路。 关键词:异步电机 数字信号处理器 变频调速 Realization of VVVF’s Drive System Based on DSP of Induction Motor Gao Shuihua1 ; Ge Xianhua1 ; Nie Jian2 (1Wuhan Marine Electric Propulsion Research Institute,CSIC, Wuhan 430064, China; 2Jing Wei frame Ltd., Wuhan 430000, China) Abstract:The basic models of induction motor variable frequency speed control system are introduced in this paper , and a whole hardware design scheme is given. The realization way of the software and key arithmetic ideas are also presented in the paper. Keywords: induction motor ; DSP ; VVVF’s drive system 1 前言 随着国民经济的发展和工业生产的需要,交流 电动机变频控制技术发展很快。受到微处理器和 IGBT 等高速开关元件不断商品化推出的影响,变频 器已从第二代全数字化,第三代静音型到第四代高 转速精度的无速度传感器矢量控制的发展阶段。 DSP 作为一种高速数字信号处理器,除在变频器各 种算法实现所需要的快速运算方面的优势之外。其 针对电机控制的 DSP 还集成了快速、高精度的 A/D 转换器,高速的捕获和测速单元,空间矢量 PWM 产 生单元,内置的大容量程序存储器 FLash 和丰富的 通信接口功能。使变频调速系统在设计上变得简 单,在产品的性价比上得到提高。 2 系统总体设计方案 图 1 为变频调速系统的总体原理框图。其主回 路由一个标准的整流、滤波、逆变电路构成。控制 电路由开关电源、驱动电路、功能电路、键盘显示 电路、电流信号处理电路、RS232/485 接口、I/O 扩 展接口、E2PROM 状态存储电路、CAN 模块及 DSP 构成。双 DSP 为整个控制系统的核心单元。其中 DSPM 将外部端子,上位机或键盘输入的参数、运 _________________ 收稿日期:2004-12-14 行命令解码处理后送到 DSPT,将 DSPT 输出的电 机运行信息传给上位机、键盘进行显示。DSPT 完 成电机的速度控制,转矩控制,各种保护的处理。 并将电机运行信息输出给 DSPM。对于一个高性能 的变频调速系统,DSPT 控制算法的精确实现是关 键。包括电机参数的准确辨识,无速度传感器矢量 控制的速度辨识,矢量运算中坐标变换所需转子磁 通位置角的准确获取,速度调节器、电流调节器和 电压前馈通道的计算,PWM 驱动信号的产生,转 速跟踪再启动的平滑实现,PWM 产生过程中的死 区补偿等。 输入 开关电源 驱动电路 信 号 处 理 电 路 FPGA 键盘显示 DSPM 双口RAM 电流检测电路 E2PROM 图1 can模块 处理电路 测速电路 变频调速系统总体框图 26 船电技术 2005 年 第 2 期 两个 DSP 均采用了 TI 公司的 TMS320LF2407, 其主要构成有:16 通路 10 位 A/D 转换器、40 个可 独立编程的多路复用 I/O 引脚,带有锁相环 PLL 的 时钟模块,带中断的看门狗定时器模块,串行通讯 接口 SCI,串行外设接口 SPI,控制器局域网络 CAN 模块。其内部的两个事件管理器模块提供了 16 路 比较/PWM 通道,6 个具有死区功能的全比较单元, 4 个单比较单元,空间矢量 PWM 状态机,4 个 16 位通用定时器,6 个捕获测速单元。该事件管理器 可以为所有电机类型提供控制技术,为 DSP 在工业 自动化控制方面的应用奠定了基础。DSP 采用精简 指令集,当选用 10MHz 的时钟输入时,其每个时 钟周期可达 50ns。为控制算法的高速运算提供了基 础。在图 1 中,DSPM 通过内置 SPI 与键盘接口, 通过串行 SCI 接口与上位机通信,通过 I/O 端口与 E2PROM 串行通信,通过双口 RAM 与 DSPT 交换 数据,通过 CAN 模块构成总线结构的控制局域网。 DSPT 通过内置的 A/D 转换器采集电机输出信号, 通过内置事件管理器中的空间矢量状态机产生驱 动逆变电路中 IGBT 的 PWM 脉冲。 3 异步电机变频调速的基本算法 在异步电机变频调速系统中,可根据具体的负 载要求采用不同的控制方式。对风机水泵类负载, 通常采用 V/F 控制方式。对低速转矩有较高要求而 对速度误差不很严格且环境恶劣的工况,如搅拌机 等可采用无速度传感器的开环矢量控制。对低速转 矩和调速精度均有较高要求的地方,如纺织行业的 张力控制,电梯行业的定位控制等则要采用带速度 传感器的矢量控制。 对 V/F 控制,有以下基本公式。 三相异步电机定子每相电动势有效值可写为: Eg=4.44f1N1KN1φm (1) 当忽略定子绕组电阻和漏电感后,公式(1)可 写为: U1=4.44f1N1KN1φm (2) U1 为定子所加相电压,V/F 控制通过对定子电 压 U1 与频率 f1 的协调控制来实现对气隙磁场φm 的 恒定控制。从而实现对电机转矩的控制。由于低频 时,电机电阻和漏感影响较大,因而 V/F 控制需对 低频时的定子电压进行补偿。 对矢量控制,则有以下基本公式。 异步电机在两相同步旋转坐标系上按转子磁 场定向(M-T 坐标)的数学模型可写为: ⎡um1 ⎤ ⎡R1 + Ls P ⎢ ⎢ ut1 ⎥ ⎥ = ⎢ ⎢ w1 Ls ⎢⎢⎣uumt 22 ⎥ ⎥ ⎦ ⎢ ⎢ ⎣ Lm P ws Lm − w1Ls R1 + Ls P − ws Lm Lm P Lm P w1 Lm R2 + Lr P ws Lr − w1Lm Lm P ⎤ ⎥ ⎥ ⎡im1 ⎤ ⎢ ⎢ it1 ⎥ ⎥ − R2 w+ sLLrrP⎥⎥⎦ ⎢⎢⎣iimt 22 ⎥ ⎥ ⎦ (3) 由φm2=φ2,φq2=0,同时考虑鼠笼式电机 um1= ut2=0,则(3)式可写为: ⎡um1 ⎤ ⎡R1 + Lsp ⎢ ⎢ ut1 ⎥ ⎥ = ⎢ ⎢ w1 Ls ⎢ 0 ⎥ ⎢ lmp ⎢ ⎣ 0 ⎥ ⎦ ⎢ ⎣ ws Lm − w1Ls R1 + LsP 0 0 由(4)可得 Lmp w1 Lm R2 + Lr p ws l r − w1Lm ⎤ ⎡im1 ⎤ Lmp ⎥ ⎥ ⎢ ⎢ it1 ⎥ ⎥ R2 0 + LR ⎥ p⎥⎦ ⎢⎢⎣iimt 22 ⎥ ⎥ ⎦ (4) im1= 1 ( Lr P +1 )φ2 Lm R2 it1= - Lr it2 Lm 电机转矩 (5) (6) Te=Pn Lm it1φ2 Lr 电机稳态方程可写为: (7) ⎧ ⎪⎪⎨uut 2m1==wR1 L1immi1m1−+LσRi1ti1t1 ⎪ ⎪ ⎩ w2 = − R2 Lr it1 im1 (8) ω2 为转差频率。 根据以上公式,无速度传感器矢量控制可采用 图 2 所示模型。 ω 速度 it*1转矩 控制器电流指令 弱磁 i*m1激磁 控制 电流指令 *m1-Lσ ωLm i 驱 电压 动 a 坐标 电 b 变换 路 c VDC ×it*1 ωs ω θ i* m1 电流 ωm 速度 im1 坐标 iu 推算 it1 变换 iw 图 2 无速度传感器开环矢量框图 对有速度传感器矢量控制,可采用图 3 所示模 型。 船电技术 2005 年 第 2 期 27 ω 速度 it*1转矩 控制器电流指令 *m1-Lσ 弱磁 i*m1激磁 控制 电流指令 ωL i - 直流PI调节器 ×it*1 ωs+ ω - i* m1 直流PI调节器 θ a 驱 4 软件的实现 电压 坐标 变换 - b c- 动 b 电 整个变频调速系统通过两个 路 c DSP 的协调控制来达到所需的控 - 制功能。DSPM 和 DSPT 的主要功能 在前面已经描述。两个 DSP 的软 件总体规划如图 4、图 5 所示。 上电 ωm iT 3 2 i 电流 坐标 iu iw 变换 DSP初 始 化 开中断 2ms计 时 到 ? 2 3 *u 电流 坐标 变换 iv - P调节器Δ a - P调节器Δ b P调节器Δ c 调用码盘测速 速度推算子程序 调用变频器 运行模式子程序 图 3 有速度传感器闭环矢量框图 6ms计 时 到 ? 矢量控制通过坐标变换来实现电机各变量之 间的解藕,以达到和直流电机一样的控制特性。 以 上电机模型中,用到了电机定转子有关的参数,因 而对于一个高性能的变频调速系统,还需对电机参 数进行辩识,以获得准确的数学模型。 上电 DSP初始化 程序自检 N 2ms计时到? 取A/D转换结果 时针指针加1 6ms计时到? 取功能码指令 控制端子检测 故障检测 控制方式选择 控制开关量输出 键盘通讯 与DSPT通讯 存 贮 状 态 值 到 E2 P ROM SCI通讯 CAN通讯 图 4 DSPM 流程图 调用故障检测 辅助计算子程序 与 DSPM通 讯 控制开关量输出 调用电流极性 推算子程序 图 5 DSPT 流程图 在总体框图中,变频器控制方式选择决定变频 器运行模式,其框图如图 6。 开始 母线电压建立? N 停机处理 返回 等待母线电压建立 有运行命令? 返回 启动参数辨识 N 带码盘运行? N 参数辨识 返回 有速度传感器矢量控制 v/f控制 返回 N 力矩控制? v/f控制 转矩控制 N 无速度传感器矢量控制 返回 返回 返回 图 6 运行模式选择流程图 在变频器调速系统中,速度辩识、参数辩识、 死区补偿及 PWM 产生直接影响变频器整体性能,其 基本思想说明如下: 28 船电技术 2005 年 第 2 期 速度辩识:无速度传感器矢量控制无码盘测 速,因而需对其速度进行辩识。对速度辩识的方法 有:根据负载变化来推算速度的 I 型辩识法,模型参 数自适应法(MARS)和 dθ 法。本系统采用 dθ 法。 dt dt 其基本思想是:转子磁链以同步速ω旋转,角 度的微分就是同步速。将此同步速减估算的转差即 得实际转速。在软件实现上,通过坐标变换求得 M、 t 坐标系下的转子磁链,由两磁链求得模和角度, 该角度的微分即同步速。其软件框图如图 7 所示。 开始 计算定子磁链 计算转子磁链 求取角度和模 取dθ/dt得ω ω-ωs=ωm 返回 图 7 转速推算流程图 参数辩识:准确的参数辩识直接影响到磁场定 向的精度,在本调速系统中,采用直流法测定子电 阻,用模拟堵转法测转子的电阻和漏感,用空载试 验法测激磁电感及空载电流,其软件框图见图 8。 开始 调用电机缺省参数计算模块 调用定子电阻辨识模块 调用转子电阻及漏感辨识模块 调用励磁电感辨识模块 因而本系统采用空间矢量 PWM 法来产生所需电压。 为减少变频调速器输出谐波对电机转矩的影响,在 低频段,采用七段式 SVPWM 法,高频段则采用五段 式 SVPWM 法。PWM 的生成在中断程序中完成,其框 图如图 10 所示。 开始 获得iu,iw 坐标变换得im,it 滤波 计算电流模及相角 确定输出电流极性 根据频率及功率 计算补偿值 返回 图 9 死区补偿流程图 开始 禁止中断 计算调制比 计算T0,T1,T2 加入死区补偿值 采用五段式? 采用七段式 采用五段式 开中断 中断返回 图 10 PWM 产生流程图 5 结束语 判别辨识参数的正确性 返回 图 8 参数辩识流程图 死区补偿:因采用双极性调制,为防止逆变器 上下桥臂直通,在上下桥臂之间设置了死区时间。 因死区的存在,导致输出电压波形畸变。在低频段, 特别是高载波频率的低频区,死区对控制系统性能 的影响非常大,因而合理的死区补偿是提高控制系 统低频性能的重要因素。死区补偿可采用电压反馈 法,电流前馈法。本系统采用电流前馈法补偿,其 框图如图 9 所示。 PWM 产生:PWM 产生方法很多。有三次谐波注 入的马鞍形 PWM 法、电流跟踪型 PWM 法及空间矢量 SVPWM 法等。TMS320LF2407 集成了空间矢量状态机。 基于双 DSP 的变频调速系统已作为一个工业产 品应用到实际的生产中,其各项性能指标己完全能 满足各种负载的要求,诸如变频供水的水泵控制; 纺织行业的张力控制;电梯行业的楼层控制;钢铁 行业的辊道控制等。本双 DSP 的变频调速系统还可 拓展到其他电机类的控制上,如电动汽车用永磁同 步电机矢量控制;轧钢用电励磁同步电机的矢量控 制等领域。 参考文献 [1] 李永东 王长江. 交流电机数字控制系统. 北京:机械 工业出版社,2002 年 4 月 [2] 马小亮. 大功率交交变频调速及矢量控制技术. 北京: 机械工业出版社,2003 年 10 月 [3] 陈伯时 陈敏逊 . 交流调速系统. 北京:机械工业出版 社,1998 年 4 月.

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