实验室条件下用DSP控制器实现三相异步电动机的变速控制

1、实验室条件下用DSP控制器实现三相异步电动机的变速控制Wajiha Shireen, Robert Escalante休斯顿大学摘要：本文介绍了一个基于数字信号处理器（DSP）控制的交流感应电动机的硬件方面和软件方面。硬件部分的配置包括一个DSP处理模块, 一个三相逆变模块和接口模块。该系统的实现涉及不同的软件模块，以期达到开环或闭环的变速运行。这套装置可以有效地利用，以展示给学生各种电机的可变速操作控制功能，和电机如何在软件中被一个数字信号处理器所控制。以数字信号处理器为基础的系统已经成为许多现代化设备和工业流程中一个不可缺少部分。本文中所论述的来自于这套装置的实验经验将使学生熟悉正在运用于

2、工业的这种巧妙的可变速电机的控制方法。这套装置也能用做一个研究平台用于测试不同的电机控制运算。介绍：电动机在工业生产中有其广泛的应用，如在风机，水泵，压缩机。还有许多其他的用途，例如变速空调，热水泵和火炉。在这一系列的动力中，来自电动机的动力将优先考虑。这促进了电动机和变速驱动的发展。一系列的数千匹马力范围的变速驱动正在工业中得到实现和应用。 容量和速度的改变以配合负载系统最终用途所需将优化电机的性能和降低能耗。在对泵、风机以及压缩机的测试中，使用变频调速电机能显著的节能20-50。电机和一些基础的电机控制方法的教学在几乎所有大学都变得火热。然而, 为了要赶上工业生产的变化, 现今电机工程和技

3、术专业的学生需要知道这种可变速电机最新应用方法的相关情况。由此可见，本文介绍了基于DSP的交流感应电机的硬件配置和软件配置。这套装置可以有效的示范给学生各种电机的调速操作控制功能。它也能用于各种电机实验或者是电机控制课程。许多的程序在实验室条件下也能与一些特定的电机结合起来用于电机课的教学。这套装置在控制课程中也可用来说明开环和闭环运行和电机如何能在软件中被控制。而且, 以数字信号处理器为基础的系统已经在许多现代的设备和工业流程中得到广泛的应用。基于数字信号处理器实验室装置，会提供给学生更多的机会来熟悉数字信号处理器的基础控制。电动机的数字信号处理器控制先进电机驱动系统的实现，就一个典型的电机

4、控制来说需要具备以下特点：产生多种高频率,高辨识率 PWM 波形的能力。快速处理，以实现先进算法，以尽量减少脉动转矩，对在线参数的适应性，速度的精确控制等。用同一控制器实现多种多样的功能 (电机控制, 功率因数校正, 通信等。)使执行操作尽可能简单 (减少元件数量, 简单的电路板布局和制造等。)实行灵活的解决方案，以便今后修改，从而可以只是在软件中修改而非重新设计一个单独的硬件平台来解决问题。一个新类型的DSP控制器解决了这些问题1,2。在这些控制器芯片上提供数字信号处理器核心计算能力而且整合有用的外围设备减少芯片的总数。图 1 DSP控制器区段图来自德州仪器的DSP控制器 TMS320 F2

5、4 xx 3是用来实现三相交流异步电动机驱动。图 1 表示 TMS320 F24 xx 的全部区段图表。 TMS320 F240 有一个 20MIPs 16 位定点DSP核心。 它还整合以下电力电子周边设备 -12 PWM(脉宽调制) 通道 (9个是独立的), 三个 16 位多模通用定时器, 16 通道 10 位 ADC同时转换能力, 四个捕获管脚, 编码器接口能力、 SCI 、 SPI, 监控设备等。六个 PWM 通道 (PWM1 到 PWM6) 控制三相电压源逆变器。这六个 PWM 通道分为三对 (PWM 1&2, PWM 3&4, PWM 5&6)。三对比较寄存器, 与每对 PWM 通道

6、有关，称为完全比较。更新比较寄存器的值以获得适当的 PWM 输出。该级芯片上的软件模块提供足够的死区时间，以避免死区故障的发生。有三个以上的PWM通道用于执行其他功能，如功率因数校正。系统描述图 2 显示的是三相交流异步电动机驱动完整的系统框图。三相电压源逆变器是用来控制三相交流感应电机的。通过控制三相逆变器的六个功率器件，来自DSP的六个PWM通道就可以调节电动机的相电压。从而通过软件可以灵活的改变电机转速。空间矢量脉宽调制 (SVPWM) 是为电动机在不同速度下执行伏特/赫兹（V/Hz）算法。这种不变的V/Hz法则可以应用于三相交流感应电机的开环和闭环运行。 SVPWM 技术指的是交流电机

7、所用三相电压源逆变器的三个功率器件的一种特殊开关顺序。功率器件的特殊开关配置在定子阶段得出三个伪正弦电流。一个捕获输入以测量电机的转速。随后章节有系统硬件和软件的详细描述。图2 三相交流感应电机驱动硬件结构实验的系统的硬件如下：德州仪器 TMS320 F243 误差向量幅度平台 - 数字信号处理器是以不同的速度基于 V/Hz原则产生所需的 PWM 输出。数字频谱DMC1500 平台 提供功率级的系统驱动。它包括一个桥式整流器，直流总线电容，三相逆变器与和用于开关功率器件的相关驱动电路。来自数字信号处理器的 PWM 控制信号被输入到逆变器组件和一个输出组件，它被连接到电机的终端。数字频谱DMC与

8、EVM误差向量接口模块 三相交流感应（ACI）电机。IBM兼容的发展环境以及一个带有代码设计4.1或者更高版本的安装的IBM兼容机和一个XDS510pp 仿真器。完整的硬件设置如图3所示。图 3 DSP控制下的三相异步电机硬件设备图软件描述驱动系统应用多样的软件模块来控制电机。图 4 显示软件框图与各软件模块，如 RAMP_CNTL 、 V_HZ_PROFILE 、 SVGEN_MF 和 FC_PWM_DRV。 修改参数 变速设置 能改变电机的转速。 RAMP_CNTL 组件实现一个斜向上和斜向下函数算法的控制功能。 V_HZ_PROFILE 组件根据特殊的V/Hz形图产生一个特定的输入电压指

9、令。 图- 4运行状态的完整软件框图用以实现交流感应电机的变速控制。 SVGEN-MF模块计算出适当的占空比，利用空间矢量脉宽调制技术产生一个特定的定子参考电压。该定子的参考电压由其幅值 (sv_gain) 和频率决定(sv_freq)。 FC_PWM_DRV 组件采用占空比信息与计算值相比较，产生PWM输出。它也提供必需的死区，以避免死区故障。 整个的应用软体由一个中断服务所控制 (ISR)。 主要的代码（即回路环）用于TMS320 C243 外设初始化 (例如。 锁相环, 看门狗, 中断控制以及时间管理器)。余下的代码完全应用于 PWM_ISR。按照时间管理器的定时器1的周期事件标志 IS

10、R 调用指令速度可达 50 Us(20KHz)。实验的结果图5电机相电流以及它的频谱图上文所述的电动机驱动系统是用于三相交流感应电机在可变速模式下开环速度控制的操作，控制频率由0到60Hz之间变化，PWM开关频率是20KHz。图5所示电机相电流和相应的频谱。从频率频谱分析相电流可以看出，该电流由基频成分和较高的开关频率谐波。20KHz 的SVPWM得到不失真的相电流来驱动电机。结论上文所论述的基于DSP的交流电机控制系统可以用于实验室平台以作为演示实验，用以阐述电机的控制功能和变速操作，它也可用于一个同样有效的研究平台，以测试和评估创新的电机控制算法。软件模块可以从系统软件环路中添加或者移除以

11、达到期望的电机操作。参考文献1. I Panahi, M Arefeen and Z Yu, “DSP excel in motor-control applications” EDN, pp. 111-118, August 15, 1997.2. M Arefeen, D Figoli and Z Yu, “New generation DSP controllers provide cost effective motion control solutions Power Conversion & Intellegent Motion, pp. 26-38, February 1998.3. TMS320F241, TMS320C241, MMS320C242 DSP Controllers Texas Instruments Inc.履历资料WAJIHA SHIREEN Wajiha Shireen 是休斯顿大学的电-电子学技术部的一个副教授。在1987年，她在孟加拉大学的工程和技术部