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 ; 经纬纺机股½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½硬件构成，给出了½件实现方
2
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 Shuihua
1
; Ge Xianhua
1
; Nie Jian
2
(
1
Wuhan Marine Electric Propulsion Research Institute,CSIC, Wuhan 430064, China;
2
Jing Wei frame Ltd., Wuhan 430000, China)
Abstract：
basic models of induction motor variable frequency speed control system are introduced in
The
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
行½令解码处理后送到
DSPT，将 DSPT
输出的电
机运行信息传给上½机、键盘进行显示。DSPT 完
成电机的速度控制，½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½
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½子磁
通½½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，½
速跟踪再启动的平滑实现，PWM 产生过程中的死
区补偿等。
1
前言
随着½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½响，
变频
器已从第二代全数字化，第三代静音型到第四代高
½速精度的无速度传感器矢量控制的发展阶段。
DSP ½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
½换器，高速的捕获和测速单元，空间矢量 PWM 产
生单元，内½的大容量程序存储器 FLash 和丰富的
通信接口功½。½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½设计方案
图
1
为变频调速系统的总½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½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、
2
PROM
状态存储电路、
E
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½机或键盘输入的参数、运
_________________
收稿日期：2004-12-14
输入
开关电源
驱
动
电
路
电流检测电路
信 号 处 理 电 路 FPGA
键盘显示
DSPM
双口RAM
E2PROM
can
模块
处理电路
测速电路
图
1
变频调速系统总½框图
26
船电技术
两个
DSP
均采用了
TI
公司的
TMS320LF2407，
2005
年
第
2
期
⎡
i
m
1
⎤
⎢
i
⎥
⎢
t
1
⎥
⎢
i
m
2
⎥
⎢ ⎥
⎣
i
t
2
⎦
其主要构成有：16 通路
10
½
A/D
½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½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， 个具有死区功½的全比较单元，
6
4
个单比较单元，空间矢量
PWM
状态机，4 个
16
½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，
DSP
在工业
为
自动化控制方面的应用奠定了基础。DSP 采用精简
指令集，½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½
SPI
与键盘接口，
通过串行
SCI
接口与上½机通信，通过
I/O
端口与
E
2
PROM
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½。
DSPT
通过内½的
A/D
½换器采集电机输出信号，
通过内½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。
−
w
1
L
m
⎤
L
m
P
⎡
u
m
1
⎤
⎡
R
1
+
L
s
P
−
w
1
L
s
⎢
u
⎥
=
⎢
w L
R
1
+
L
s
P
w
1
L
m
L
m
P
⎥
⎢
t
1
⎥
⎢
1
s
⎥
⎢
u
m
2
⎥
⎢
L
m
P
−
w
s
L
m
R
2
+
L
r
P
−
w
s
L
r
⎥
⎢
⎥
⎢
⎥
L
m
P
w
s
L
r
R
2
+
L
r
P
⎦
⎣
w
s
L
m
⎣
u
t
2
⎦
（3）
由
φ
m2
=
φ
2
，
q2
=0，
φ
同时考虑鼠笼式电机
u
m1
=
u
t2
=0，则（3）式可写为：
⎡
u
m
1
⎤
⎡
R
1
+
Lsp
⎢
u
⎥
=
⎢
w Ls
⎢
t
1
⎥
⎢
1
⎢
0
⎥
⎢
lmp
⎢ ⎥
⎢
⎣
0
⎦
⎣
w
s
L
m
−
w
1
Ls
R
1
+
LsP
0
0
Lmp
w
1
Lm
R
2
+
L
r
p
w
s
l
r
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
R
2
+
L
R
p
⎦
−
w
1
Lm
Lmp
0
⎡
i
m
1
⎤
⎢
i
⎥
⎢
t
1
⎥
⎢
i
m
2
⎥
⎢ ⎥
⎣
i
t
2
⎦
（4）
由（4）可得
i
m1
=
1
（
L
r
P
+
1
）
φ
2
R
2
L
m
i
t1
=
－
（5）
（6）
L
r
i
t2
L
m
电机½矩
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½的负
½½要求采用不同的控制方式。对风机水泵类负½½，
通常采用 V/F 控制方式。对½速½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½速½
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½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：
E
g=4.44
f
1
N
1
K
N1
φ
m
（1）
½½略定子绕组电阻和漏电感后，公式（1）可
写为：
L
m
i
t1
φ
2
Lr
电机稳态方程可写为：
T
e
=P
n
（7）
⎧
⎪
u
m
1
=
R
1
i
m
1
−
L
σ
i
t
1
⎪
⎨
u
t
2
=
w
1
L
m
i
m
1
+
R
1
i
t
1
⎪
R i
w
2
= −
2
t
1
⎪
L
r
i
m
1
⎩
ω
2
为½差频率。
（8）
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。
*
速度 i
t1
½矩
ω
控制器电流指令
弱磁 i
*
激磁
m1
控制
电流指令
驱
动
电
路
V
DC
i
*
×
*t1
ω
s
i
m1
ω
θ
电流
坐标
变换
i
u
i
w
*
m1
-L
σ
ωL i
m
电压
坐标
变换
a
b
c
U
1
=4.44
f
1
N
1
K
N1
φ
m
（2）
U
1
为定子所加相电压，V/F 控制通过对定子电
压
U
1
与频率
f
1
的协调控制来实现对气隙磁场
φ
m
的
恒定控制。从而实现对电机½矩的控制。由于½频
时，电机电阻和漏感½响较大，因而 V/F 控制需对
½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½坐标系上按½子磁
场定向（M-T 坐标）的数学模型可写为：
型。
ω
m
速度 i
推算 i
m1
t1
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
船电技术
2005
年 第
2
期
ω
*
速度 i
t1
½矩
控制器
电流指令
弱磁 i
*
激磁
m1
控制 电流指令
27
*
m1
-L
σ
a
ωL i
-
直流PI调节器
直流PI调节器
θ
i
T
3 2
电流
i
坐标
变换
2 3
电流
坐标
变换
*
u
电压
坐标
变换
-
b
c
-
-
驱
动
电
路
4 ½件的实现
b
c
整个变频调速系统通过两个
DSP 的协调控制来达到所需的控
制功½。
DSPM 和 DSPT 的主要功½
在前面已经描述。两个 DSP 的½
件总½规划如图 4、图 5 所示。
上电
*
i
t1
ω
s+
ω
×
*
i
m1
-
ω
m
i
u
i
w
DSP初 始 化
开中断
2ms计 时 到 ？
-
-
-
P调节器Δ
P调节器Δ
P调节器Δ
a
b
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
6ms计 时 到 ？
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
i
v
图 3 有速度传感器闭环矢量框图
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½子有关的参数，因
而对于一个高性½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/D½换结果
时针指针加1
6ms计时到？
取功½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E PROM
SCI通讯
CAN通讯
图4
DSPM 流程图
2
在总½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½令？
返回
启动参数辨识
N
带码盘运行？
参数辨识
返回
N
有速度传感器矢量控制
返回
½矩控制
返回
v/f控制
N
力矩控制？
无速度传感器矢量控制
返回
v/f控制
返回
N
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½响变频器整½性½，其
基本思想说明如下：
28
船电技术
速度辩识：无速度传感器矢量控制无码盘测
2005
年
第
2
期
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½矩的½响，在
½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i
u
,i
w
坐标变换得i
m
,i
t
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
速，因而需对其速度进行辩识。对速度辩识的方法
有:根据负½½变化来推算速度的 I 型辩识法,模型参
数自适应法
（MARS）
d
θ
和
dt
法。
本系统采用
d
θ
dt
法。
其基本思想是：½子磁链以同步速ω旋½，角
度的微分就是同步速。将此同步速减估算的½差即
得实际½速。在½件实现上，通过坐标变换求得 M、
t 坐标系下的½子磁链，由两磁链求得模和角度，
该角度的微分即同步速。其½件框图如图 7 所示。
开始
计算定子磁链
计算½子磁链
求取角度和模
取dθ/dt得ω
ω-ω
s
=ω
m
返回
图 7 ½速推算流程图
开始
禁止中断
计算调制比
计算T
0
,T
1
,T
2
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
参数辩识：准确的参数辩识直接½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½法测½子的电阻和漏感，用空½½试
验法测激磁电感及空½½电流，其½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½子电阻及漏感辨识模块
调用励磁电感辨识模块
判别辨识参数的正确性
返回
图 8 参数辩识流程图
5 结束语
基于双 DSP 的变频调速系统已½为一个工业产
品应用到实际的生产中，其各项性½指标己完全½
满足各种负½½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½½用永磁同
步电机矢量控制；½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
机械工业出版
[3] 陈伯时 陈敏逊 . 交流调速系统. 北京：
社，1998 年 4 月.
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½了死区时间。
因死区的存在，
导致输出电压波½畸变。
在½频段，
特别是高½½波频率的½频区，死区对控制系统性½
的½响非常大，因而合理的死区补偿是提高控制系
统½频性½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½ 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。
京公网安备 11010802033920号
Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved
评论