基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统设计与实现

Abstract：We design a vector control system of Three-phase Asynchronous Motor by taking the PM25RSB-120 IPM of MITSUBISHI & TMS320LF2407A DSP of TI as the key controller of the main circuit and control circuit. The experimental results show that the whole system run well with quick dynamic response, small overshoots and high accuracy of steady-state.
Keywords：Digital Signal Processor; Three-phase Asynchronous Motor; Intelligent Power Module; Vector Control 

1 前言

    在石油石化行业，石油钻井中的钻机，生产现场的抽油机、风机、水泵、输油泵和泥浆泵等电机的运行都要消耗大量的电能，如何充分合理地利用电能显得非常重要。而采用变频调速技术后，节能效果非常明显。新疆克拉玛依油田多处输油泵采用变频调速装置，如采油三厂在输油泵上应用一台变频器，运行后效果良好，经仪表测试，采用变频调速后，有功节电为65.73%，无功节电为78.79%，功率因数达到0.99。据实际运行统计，变频调速输油节电率为46.83%，316天后可收回全部投资。湖南长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵采用100kVA变频器后，输出功率由18.6kW降至7.2kW，节电61.3%[3]。在我国，异步电机的变频调速系统有巨大的市场潜能。

    本文以TMS320LF2407A DSP芯片为控制核心对高性能矢量控制变频调速系统进行了硬件和软件设计，最后对整个系统进行了实验研究。

2 异步电机的矢量控制技术

    异步电机在三相静止坐标系下的数学模型很复杂，关键是由于其复杂的磁链关系。因此，要简化数学模型，必须通过坐标变换将异步电机的数学模型从三相静止坐标系上变换到两相同步旋转坐标系上。从三相静止坐标系（ABC坐标系）到两相静止坐标系（0ab坐标系）的变换称为Clarke变换，从两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系（OMT坐标系）的变换称为Park变换。 

    矢量控制也叫磁场定向控制，通过坐标变换，在两相同步旋转坐标系上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量ism 和产生转矩的转矩电流分量ist，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样，交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了，这就是矢量控制的核心思想[1]。

3 系统组成

    基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统结构图如图1所示。它包含主电路、控制电路和保护电路三大部分，具体由整流滤波模块、逆变模块、IPM保护模块、三相异步电动机、电压、电流和转速检测模块、显示模块、主控制模块、DSP与PC机通信模块等组成。

 
 图1  基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统结构框图

    系统主电路采用典型的交—直—交电压型变频器结构。整流环节采用三相桥式不可控整流模块，逆变电路采用三菱公司的智能功率模块（IPM）PM25RSB-120作为功率器件，中间直流环节利用大电容滤波。系统控制电路包含两个部分，即TMS320LF2407A DSP核心电路和基于核心电路的外部扩展电路。DSP核心电路负责整个系统的控制和具体的算法实现功能，外部扩展电路主要完成电压、电流和速度信号的检测，数据显示以及DSP与PC机通信等功能，并对IPM发出的各种故障信号进行综合处理形成总的故障信号送入TMS320LF2407A的故障中断入口。上位机（PC机）部分采用Visual Basic编写通信界面，主要负责转速（频率）和磁通的给定以及调速系统故障显示等功能。 

4 系统硬件设计

4.1 主电路设计

    主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路三部分。整流电路选用日本富士公司的6RI15G-120（15A 、1200V）三相全桥整流模块。滤波电容值理论上越大越好，考虑到体积和价格，选用两个1000μF/450V的电解电容相串联，总耐压值为900V，电容量为500μF 。逆变电路选用日本三菱公司的第三代智能功率模块IPM，型号为PM25RSB-120（25A 、1200V），其内部本身就集成了过压、欠压、过流、过热和短路等的输出报警功能。

    PM25RSB-120有两个直流输入口（P，N），三个交流输出口（U，V，W），一个泵升制动口（B）和19个控制输入口。TMS320LF2407A 产生的六路PWM信号经过东芝光耦隔离器TLP521后输入到PM25RSB-120的U_P、V_P、W_P和U_N、V_N、W_N控制引脚，分别控制三相逆变桥的上、下桥臂的导通与关闭。三相整流桥输出的直流电压信号经P、N端子输入到PM25RSB-120中。
 

图2  IPM逆变电路 

    当IPM出现故障时，U_FO、V_FO、W_FO和FO口发出故障信号；对这些信号进行综合处理后形成总的故障信号，并将其送入TMS320LF2407A的口，及时封锁DSP的PWM口，对整个系统进行保护。IPM的驱动电源必须采用四组+15V的隔离电源。上桥臂每相各用一组电源，三个下桥臂和泵升电压控制共有一组，各驱动电源上连接的10μF和0.1μF电容是从电源到IPM之间布线阻抗的退耦。IPM逆变电路图如图2所示。

4.2 控制电路设计

    TI 公司的 TMS320LF2407A DSP控制器是性能很好的数字电动机控制芯片，作为一种专门面向数字控制系统的通用可编程微处理器，它既集成了极强的数字信号处理能力，又集成了数字控制系统所必需的输入、输出、A/D 转换和事件捕捉等外设[2]。

    控制电路由两块PCB板组成，DSP核心电路组成一块PCB板，基于DSP核心电路的外部扩展电路组成另外一块PCB板。本设计中，控制电路主要完成电压、电流和速度信号检测，DSP与PC机通信，数据显示以及故障信号综合处理等功能。 

    本设计选用华南理工大学科技开发公司提供的CHB5-P型霍尔电流传感器来检测电流，它的工作电压为 15V，能够测量 10A之间的电流，输出电流的最大值为10mA。TMS320F2407A 内带有10 位A/D转换器，每个A/D转换器的最快转换时间是 375ns。在检测定子电流时，需要进行A/D转换的量为两路输入电流，因此需要2个通道并行转换完成信号的传输。
 

图3  电流检测及信号调理电路图

   如图3示，霍尔电流传感器的一路输出信号经过电阻R26后转换成相应的双极性电压信号Ua；Ua经过电平偏移放大电路后变成单极性的电压信号U2 ，该信号可以直接送入DSP A/D转换器的第0通道进行电流采样。本设计中电平偏移放大电路由双运算放大器LM358、电阻R₂₇、R₂₈、R₃₀和LM366组成。LM366是能够提供2.5V基准电压（U0）的电压基准芯片，二极管 D6 、D7 组成限幅电路，保证了 DSP 的输入在0～3.3V 之间。在本设计中，A/D 转换基准电压为3.3V，它由 TI 公司的电平转换芯片REF3033提供，REF3033是一个高精度电压基准芯片，误差为0.2％，输出电流最大为 25mA。

    本设计采用欧姆龙公司的OVW2-2048-2MD型旋转编码器进行转速检测，它由+5V供电，有A、B和Z相三路输出。其中A与B用于测速，它们的相位差为90度，每转一圈输出2048个脉冲；而Z脉冲为每转一圈输出一个脉冲，用于基准点定位。旋转编码器的A、B相输出经过高速光耦隔离，接到DSP的增量式光电编码器接口（QEP）引脚，通过对脉冲的计数就可以计算电机实测转速。

    电动机实测转速由4位共阴极 LED数码管显示，显示方式采用动态扫描显示。LED由MAX7219驱动，DSP的SPI（串行外设模块）负责和MAX7219之间进行数据通信。MAX7219是一个高性能低价格的多位LED显示驱动器，其接口采用流行的同步串行外设接口（SPI），可同时驱动8位LED，其片内包含有8个显示RAM和6个特殊功能寄存器，可方便寻址[4]。

    本设计采用符合RS-232标准的驱动芯片MAX232 实现DSP的SCI（串行通信模块）口和PC机串口之间的串行异步通信。上位机部分采用Visual Basic编写通信界面。本设计中上位机主要负责系统起动和停机命令的发送、调速时转速（频率）和磁通的给定以及系统故障显示等功能。

5 系统软件设计

    DSP实现矢量控制算法的结构框图如图4所示。
 

图4   DSP实现异步电机矢量控制结构框图

    软件设计时采用模块化设计，主要包括主程序模块和中断服务子程序模块两部分。主程序模块主要包括系统初始化和DSP与PC机通信两部分。其中初始化部分包括硬件初始化和各个矢量控制算法模块的初始化；中断初始化；各个控制寄存器置初值；运算过程中使用的各个变量分配地址和设置相应的初值等。

    整个矢量控制算法都将在EVA的定时计数器T1的下溢中断服务子程序中实现。T1下溢中断服务子程序是整个软件系统的核心，其流程图如图5所示，它主要包括光电编码转速检测，相电流检测，坐标变换，转子磁链位置计算，电流、速度PI调节以及电压空间矢量SVPWM产生等部分。中断服务子程序在每次定时计数器T1下溢事件发生之后，都将从主程序的等待循环中唤醒执行。中断服务子程序执行时，转速（或频率）和磁通的给定从主程序中读取。 
 

图5   T1下溢中断服务子程序流程图

6 实验结果及分析

    实验时，电动机转速的阶跃给定为1000r/min，电机空载启动，在t=0.4s时，突加5N●m 的负载。
 

图6 转子转速和转矩波形图
 

图7 两相同步旋转坐标系下的定子电流

    图6中电磁转矩与转速变化相对应，电机起动时，起动转矩很大，这是由于电机系统惯性较大，转速不能突变，刚起动时转速反馈为零，转速偏差很大，转速调节器迅速饱和，输出达到限幅值，从而使电磁转矩很大。随着转速的上升，在0.2s 内转速超过设定值，转速调节器退饱和，ASR输出减小，ATR的给定值变小，电磁转矩随之减小。随着转速的稳定，转矩也趋于稳定，由于电机空载运行，电机输出电磁转矩很小，接近于零。在0.4s突加负载时的情况与电机起动时的情形类似，稳态时，电磁转矩等于负载转矩。系统的电流环采用了电流跟踪滞环比较控制，所以稳态时电磁转矩有一定的脉动。

    图7中，电机起动后，M轴电流很快达到稳态值。在突加负载瞬间，i_sm有一个很小的脉动，但是很快又恢复到稳态值，并且基本保持恒定不变，不受负载变化的影响。从T轴电流波形图可以看出，i_st随着负载变化而变化，突加负载时，i_st随着负载增大而迅速增大，定子电流的解耦是成功的。

      
图8  PWM1和 PWM2引脚波形       图9  PWM1和UP引脚波形

    当给定频率为40Hz时，用示波器实测DSP的PWM1～PWM6各管脚的输出控制波形。图8为PWM1和PWM2引脚的输出控制波形，图9为PWM1和UP信号输出波形。从图8可以看出二者幅值相同，相位相反，二者的波形之间有死区时间；从图9可以看出二者幅值上不同，相位相同。各输出波形均与理论波形相吻合。

7 结论

    利用高性能的电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A的强大运算能力和快速实时处理能力，可使变频调速系统中复杂的控制算法更加容易编程实现。实验结果表明矢量控制系统稳态精度高，动态调节时间较短、超调量小、抗干扰能力强，完全可以达到与直流电机相媲美的调速性能。

参考文献
[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统.第三版.北京：机械工业出版社，2003 . 40-42，100-111，145-214
[2] 王晓明，王玲.电动机的DSP 控制—TI公司DSP应用.北京：北京航空航天大学出版社，2004.120-184
[3] 吴忠智，吴加林.变频器应用手册.北京：机械工业出版社，2005.556-557
[4] 王建华等.MAX7219原理及其应用.电子技术，2003，（12）：36-38
[5] 刘和平，严利平，张学锋等.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2002.5-197
[6] 洪乃刚.电力电子和电力拖动系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社，2005.107-152
[7] 韩会山.基于DSP的异步电动机矢量控制系统设计与实验研究.燕山大学硕士学位论文.2005：19-28
[8] Bose/B.K./王聪等译.现代电力电子学与交流传动.北京：机械工业出版社，2005.205-271
[9] Datasheet of PM25RSB-120.MITSUBISHI Electric.1998

第一作者简介
罗辉，男，西南石油大学电信院硕士研究生，主要研究方向：智能化仪器和计算机测控；
作者联系信息单位：西南石油大学
稿件名称：基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统设计与实现
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