基于DSP&IPM的电梯用变频调速电机优化控制

摘 要: 在分析考虑铁损时电梯用异步电机在同步旋转坐标系统下数学模型的基础上，通过研究不同运行条件下电机损耗与转子磁通的关系，实现矢量控制变频调速异步电机的优化控制。为了进一步提高电机的调速性能，根据电机矢量控制的基本原理，利用数字信号处理器和智能功率模块，给出了矢量控制硬件实现，并阐述了系统的软件实现方法。实验表明，电梯用异步电机矢量控制变频调速系统能平稳运行，具有较好的静、动态特性，可以广泛地应用于电梯用电机拖动的电气传动系统中。

关键词: 电梯用异步电机;矢量控制;铁损;优化控制

0 引言

　　随着城市建筑业的发展，对高层建筑电梯的电机调速系统要求越来越高。由于受到数位分析方法和工具的限制，现在建立电梯用异步电机电动机动态数学模型和仿真模型时通常忽略铁损。而电梯用异步电机电机中的铁损是确实存在的，这就会使得输出转矩发生偏差，影响控制精度[1]。同时因矢量控制的实现需要实时地完成坐标变换、电流及转速检测、磁链估计、PWM信号产生及故障保护等多种功能，因此控制算法涉及大量的实时计算。过去这种高性能的交流电梯用异步电机电机控制系统的实现结构相当复杂[2]。近年来，由于微电子和计算机技术的进步，尤其是具有较强计算能力的数字信号处理器（DSP）和智能功率模块（1PM）的出现，使得设计出结构简单的矢量系统成为可能。本文详细阐述了矢量控制系统的硬件组成和优化算法的软件设计方法。实验结果表明，该矢量控制系统的实现具有优良的动、静态调速性能，是目前实时性较强、性能较为优异的一种调速系统，变频调速电梯具有节能、提升速度快、平层准确、舒适感好等优点提供了动力保障。

1 控制原理

　　1.1考虑铁损时电梯用异步电机电动机在同步旋转坐标系dq轴的数学模型

　　根据交流电机理论，电梯用异步电动机可通过坐标变换等效成同步旋转坐标系dq轴下的两相电机模型，相比常规采用的dq轴电机模型，定子上增加了两个铁损等效绕组，由此可以得到如图1所示的考虑铁损时同步旋转坐标系下异步电机在dq轴等效电路[3]。

　　取dq轴的旋转速度等于定子的同步角速度ω₁，转子的角转速为ω_r,dq轴相对于转子的角速度为ω_s=ω₁-ω_r，即转差。则根据上述等效电路，推导出异步电机在任意两相同步旋转坐标系下的数学模型:

　　

　　式（a）～（e） 构成了考虑铁损时异步电机在任意同步旋转坐标系下的动态数学模型。

　　1.2磁链优化模块

　　因电机的总损耗等于输入功率与输出功率的差值，即

　　

　　由上式可以知，假设电动机参数不变，在一定的转子角频率和一定的负载转矩Te条件下，异步电动机的可控损耗与转子磁链的大小有关。忽略机械损耗和杂散损耗，异步电动机在输出功率一定的情况下，异步电动机在损耗最小时其效率最高[4]。

　　损耗的凸函数，因此对上式求导令其等于零，即可得到损耗最小时的最优磁通;其中

2 基于DSP&IPM的系统硬件设计

　　电梯用异步电机矢量控制系统硬件结构如图2。整个系统主要由三大模块组成：以智能功率模块PS21867为核心的主电路功率变换模块;以DSP为主要元件的运算控制模块;以增量式光电编码器、霍尔传感器等组成的信号检测模块。

　　2.1功率变换模块

　　系统主电路采用交-直-交电压源变频变压电路。选用的逆变功率器件是三菱公司的小型双列直插封装格式的IPM（PS21867）。其这种新型DIP-IPM利用了最新的第5代IGBT技术，使其静态性能和动态性能较过去都有了很大提高。并且由于采用了最先进的亚微米电源芯片设计技术和优化的模块设计技术及封装工艺，使其不仅可以直接与控制MCU端子相连及采用单一电源自举供电，还使其输入逻辑由低电平有效转变成了高电平有效。从而大大简化了接口电路设计，提高了逆变系统的性价比。

　　2.2运算控制单元

　　控制系统由数字信号处理器TMS320F2407A实现对电梯用异步电机的控制。TMS320F240是专为电机控制设计而推出的新一代微控制器，其具有高性能的C2xLP内核，最高运算能力达40MIPS，采用改进的哈佛结构，四级流水线操作;片内集成的事件管理器包括3个独立的双向定时器，每一个都有单独的比较寄存器，支持产生可编程死区的PWM输出;4个捕获口中的两个可直接连接来自光电编码器的正交编码脉冲;两个独立的10位16路A/ D转换器可同时并行地完成两个模拟输入的转换;片内集成的串行通讯接口（SCI）及串行外设接口（SPI）可用于与上位机、外设及多处理器之间的通讯。TMS320F240的这些卓越特性为高性能的电机控制提供了理想的解决方案[2]。

　　2.3信号检测模块

　　因为被控制的电机采用星形接法，所以只需对两相电流进行检测（）[2]。考虑到转换速度和精确度，系统采用霍尔传感器来测量电机的定子电流i_a和i_b ，将i_a和i_b 转换成电压信号，再送入电平偏移电路，把双极性的电流信号转换成0—3.3 V单极性电平送入TMS320LF2407A的A/D转换口ADCIN2、ADCIN3进行采样，把模拟量转换成数字量，再进行数据处理。检测电路采用两级运算放大器LM358。速度采样系统中采用精确度为1024p/r增量码盘来检测转子位置，光电编码器输出的两路正交脉冲信号经差动放大后直接接到DSP的QEP1,QEP2上。

3 系统的软件实现

　　系统的主电路采用智能功率模块以后显得比较简单，所有控制算法可在TMS320LF2407A DSP中实时完成的。本系统LF2407A DSP控制部分的软件采用汇编语言在DSP集成开发环境CCS下编写，整个软件主要包括初始化程序与下溢中断服务子程序部分。其软件结构如图5、6所示。其中初始化程序完成DSP硬件及软件变量的初始化及使能中断的功能。中断服务程序由电流及转速检测信号处理、转速和磁链调节、磁链估计、坐标变换、PWM信号产生等多个功能模块构成。各功能模块依照一定的顺序关系，在固定的时间周期内执行，由T1CNT的下溢中断来启动程序的运行。

　　3.1 PI调节器设计

　　PI调节是电机控制系统中最常用的一种控制器。调节器的目的是消除输出与输入的偏差，其数字实现离散化后算法为：

　　式中KP为比例增益，KI为积分增益， T为采样时间。其原理如图5所示。

　　3.2 优化控制器设计

　　优化控制器的输出为，由于涉及到除法、开方等运算，为了提高程序效率，采用了C和汇编混合编程，除法及开方子程序用汇编语言编写。首先由得到最优磁通，然后根据稳态时得到最优励磁电流。

　　3.3 转子磁链位置计算

　　矢量控制系统的控制性能很大程度上决定于磁场定向的精度。系统中采用转子磁链坐标系下的电流转速模型来估计转子磁链位置角，从而实现正确的磁场定向。磁链观测模型方程为：式中为转子时间常数，F_s为转子磁链角频率与额定角频率之比，ω_n为电额定角频率，n为转子实际转速与额定转速之比。

　　

　　3.4 SVPWM模块

　　TMS320LF2407A的每个事件管理器都有3个全比较单元输出6路带有可编程死区的PWM波形。当定子相电压矢量的分量和所在的扇区数已知，就可通过电压空间矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器。

4 实验结果与分析

　　该实验样机为一台2.2KW的矢量控制变频驱动电梯用异步电动机调速系统，并在其上采用效率优化控制策略进行了稳态运行实验研究。

　　该实验中，电机空载运行，初始转速设定为1600 r/min，稳定运行后1.4s设定为1400 r/min。图6和图7分别为输出线电流和输出线电压的实验波形。

　　从图6和图7实验结果可以看出，输出电流为良好的正弦波形，输出电压为经过脉宽调制的正弦波，基波占绝对主要成分，谐波成分较少。证明了本文中提出的控制方法的有效性和可行性。

5 结论

　　在分析考虑铁损时异步电机数学模型与磁链优化算法的基础上，以DSP和IPM为核心组成的矢量控制变频调速系统，可以有效地解决实际矢量控制实现时运算量太大而引起的实时性问题。控制系统的硬件结构简单、稳定可靠，且具有动态响应快，控制精确度高的优点，是一种理想的矢量控制实现方案，可广泛应用于以电梯电机为驱动装置的电气传动中，从而获得高精确度的调速控制性能，为电梯节能、提升速度快、平层准确、舒适感好等提供了动力保障。

参考文献

　　[1]Kouki Matsuse，Taniguchi S，Yoshizumi T. A speed-sensorless vector control of induction motor operating at high efficiency taking core loss into account. IEEE Trans.on Ind. Appl, 2001 37（2）：548-557.

　　[2]王晓明，王玲.电动机的DSP控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

　　[3]黎英，时维国.变频调速电机的运行效率及节能控制研究[J].电气传动自动化，1999，21（1） ：21-25.

　　[4]崔纳新.变频驱动异步电动机最小损耗快速响应控制研究[D].[博士论文].山东：山东大学控制科学与工程学院，2005.