韓礎(chǔ)

（青島理工大學，山東 青島 266520）

與直流電機相比，交流電機的可控制性有所欠缺，但其具有結(jié)構(gòu)牢固、運行可靠、成本低廉和高效率等特點，使其具有在工業(yè)應用、日常生活和科技研發(fā)等領(lǐng)域不可替代的地位。而要達到與直流電機相似的控制效果，交流調(diào)速系統(tǒng)必須采用更復雜、更有效、更新穎的控制算法，這些算法中包含了大量的數(shù)據(jù)運算和系統(tǒng)的實時性要求，這也為微處理器的發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的應用空間。數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)和普及，無意中為實現(xiàn)這些算法鋪平了道路。

1 硬件環(huán)境

1.1 系統(tǒng)框架

作為控制核心，DSP比單片機更具有無可替代的優(yōu)勢。雖然單片機價格低廉，開發(fā)環(huán)境完備，也具有較強的位處理能力。但是，DSP具有更高的集成度、更快的CPU、更大容量的存儲器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，提供高速、同步串口和標準異步串口，有的片內(nèi)集成了A/D和采樣/保持電路,可提供PWM輸出。更為不同的是，DSP器件為精簡指令系統(tǒng)計算機 （RISC）器件，大多數(shù)指令都能在一個指令周期內(nèi)完成，并且通過并行處理技術(shù)，在一個指令周期內(nèi)可完成多條指令。DSP器件采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強的多級流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運算能力。DSP比16 bit單片機單指令執(zhí)行時間快8～10倍，完成一次乘法運算快 16～30倍[1]。DSP器件還提供了高度專業(yè)的指令集，提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運算速度。此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先進的開發(fā)手段，批量生產(chǎn)測試更方便，開發(fā)工具可實現(xiàn)全空間透明仿真，不占用用戶任何資源。在電機控制方面，TI公司的C2000系列適合逆變器。C2000專門設(shè)計了能產(chǎn)生PWM的事件管理器（EV），用戶可以方便地用來生成PWM，調(diào)節(jié)死區(qū)等[2]。

交流調(diào)速系統(tǒng)主要由驅(qū)動單元、電流和位置檢測單元以及交流電機組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動單元由交流電整流后的直流電供電，向交流電機提供旋轉(zhuǎn)所需的三相交流電?？刂齐娐肥窍到y(tǒng)中樞，它綜合處理速度信號、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息并控制功率變換器主開關(guān)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對交流電機運行狀態(tài)的控制。

系統(tǒng)選用交流電機為鼠籠異步電動機，三相定子繞組采用 Y形接法，額定功率180 W,額定電壓380 V,額定電流 0.6 A，同步轉(zhuǎn)速 1 500 r/min,額定轉(zhuǎn)差率 0.066，定子相阻抗 4.495 Ω，互感 149 mH，轉(zhuǎn)子阻抗 5.365 Ω，轉(zhuǎn)子感抗 162 mH,轉(zhuǎn)子漏抗 13 mH,轉(zhuǎn)子慣量0.95×10-3kgm2。

1.2 主電路設(shè)計

本系統(tǒng)控制電機主要是交-直-交變頻電路，主電路圖如圖2所示。

整流濾波電路將220 V變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^逆變電路將其變?yōu)轭l率和電壓都可控制的三相交流電。串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間的電阻為限流電阻，當變頻器剛接入電源的瞬間，將有一個很大的沖擊電流經(jīng)過整流橋流向濾波電容，使整流橋可能因此而受到損壞；同時，也可能使電源的瞬間電壓明顯下降，形成干擾。限流電阻就是為了削弱該沖擊電流而串接在整流橋和濾波電容之間的。電動機再生的電能經(jīng)過續(xù)流二極管后反饋到直流電路，過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此當直流電壓超過一定值時，就要提供一條放生回路，將再生的電能消耗掉。這就是能耗制動電路，在濾波電路和逆變電路之間。逆變器中每橋臂導電180°，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120°，任一瞬間有三個橋臂同時導通，每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。阻感負載時需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。每相并聯(lián)電容的目的是在IGBT通態(tài)時給電容充電，關(guān)斷時，電容放電，使晶體管施加反向電壓，使其關(guān)斷更加迅速，不會導致上下2個管子同時導通而造成直通。

1.3 雙閉環(huán)的速度、電流檢測

測速是閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用光電編碼器。由光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號，送入光耦TLP550，隔離后的信號經(jīng)過上拉電阻拉升電位后，通過帶延時的反向觸發(fā)器 74HC14，送入到 DSP的 QEP1口;另一路信號通過同樣的電路送入DSP的QEP2口。

系統(tǒng)中的電流檢測環(huán)節(jié)采用電流傳感器，型號為TBC02A02。該電流傳感器是利用霍爾效應和磁平衡原理制成的一種電流傳感器，能夠測量直流、交流以及各種脈沖電流，同時在電氣上高度絕緣。經(jīng)過霍爾電流傳感器，需要檢測的電流信號按比例縮小為電壓信號，為了防止后續(xù)電路對這個電壓檢測信號的干擾，利用運算放大器“虛短”和“虛斷”的原理設(shè)計電壓跟隨器。

2 空間矢量PWM技術(shù)（SVPWM）

2.1 SVPWM簡介

SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的6個功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形?？臻g電壓矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM不同,它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，著眼于如何使電機獲得理想圓形磁鏈軌跡[5]。SVPWM技術(shù)與SPWM相比較，繞組電流波形的諧波成分小，使得電機轉(zhuǎn)矩脈動降低，旋轉(zhuǎn)磁場更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實現(xiàn)數(shù)字化。

2.2 SVPWM基本原理

SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域中，可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到[11]。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實際磁通逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成 PWM 波形[7,8]。

由于逆變器三相橋臂共有6個開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時逆變器輸出的空間電壓矢量。(Sa、Sb、Sc)的全部可能組合共有 8個，包括 6個非零 矢 量 U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和兩個零矢量 U0(000)、U7(111)。

其中非零矢量的幅值相同（模長為 2Udc/3），相鄰的矢量間隔 60°，而兩個零矢量幅值為零，位于中心。在每一個扇區(qū)，選擇相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，等效成：

其中：

Uref為期望電壓矢量；

T為采樣周期；

Tx、Ty分別為對應兩個非零電壓矢量；

Ux、Uy和零電壓矢量在一個采樣周期的作用時間；其中U0*包括了U0和U7兩個零矢量。由于三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個等效的旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓的軌跡將是一個圓形。

三相電壓給定所合成的電壓向量旋轉(zhuǎn)角速度為ω=2πf，旋轉(zhuǎn)一周所需的時間為 T=1/f；若載波頻率是 fs，則頻率比為R=fs/f。這樣將電壓旋轉(zhuǎn)平面等割成R個小增量，亦即設(shè)定電壓向量每次增量的角度是：

假設(shè)欲合成的電壓向量Uref在第Ⅰ區(qū)中第一個增量的位置，欲用 U4、U6、U0及 U7合成，用平均值等效可得：UrefTz=U4T4+U6T6

在兩相靜止參考坐標系(α，β)中，令 Uref和 U4間的夾角是θ，由正弦定理可得：

2.3 SVPWM控制算法

通過以上 SVPWM的法則推導分析可知要實現(xiàn)SVPWM信號的實時調(diào)制,首先需要知道參考電壓矢量Uref所在的區(qū)間位置,然后利用所在扇區(qū)的相鄰兩電壓矢量和適當?shù)牧闶噶縼砗铣蓞⒖茧妷菏噶俊＝?jīng)整理后得出：

按照上述過程，就能得到每個扇區(qū)相鄰兩電壓空間矢量和零電壓矢量的作用時間。

當Uref所在扇區(qū)和對應有效電壓矢量的作用時間確定后，再根據(jù)PWM調(diào)制原理，計算出每一相對應比較器的值。

利用空間電壓矢量近似原理，可總結(jié)出下式：

式中m仍為SVPWM調(diào)制系數(shù),利用以上各式就可得到在第Ⅰ扇區(qū)的各相電壓平均值：

同樣可以推導出其他扇區(qū)的調(diào)制波函數(shù)，其相電壓調(diào)制函數(shù)如下：

從相電壓調(diào)制波函數(shù)看，輸出的是不規(guī)則的分段函數(shù)，為馬鞍波形。從線電壓調(diào)制波函數(shù)看,其輸出的則是正弦波形。

3 仿真實驗

3.1 SPWM仿真

在進行實際的電路焊接前，適當?shù)姆抡婀ぷ魇潜夭豢缮俚?，這決定了自己設(shè)計的電路是否可行。用 “NI multisim 10”作為仿真工具對SPWM法進行仿真。為了得到驅(qū)動交流電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，必須按照一定順序通斷逆變器的6個開關(guān)管，為此，搭建了仿真主電路，PWM產(chǎn)生電路仿真結(jié)果如圖3所示。

以上波形,是通過三角波和正弦波疊加的結(jié)果，是控制逆變器6個開關(guān)管的輸入信號，其中，上面3個開關(guān)管的信號依次相差120°，上下兩個開關(guān)管反相。

圖4中從A相輸出的電壓波形經(jīng)過了逆變器和輸入的PWM波作用后，表現(xiàn)為正弦波形，B相和C相波形與A相波形完全相同，只是一次相差了120°。

3.2 SVPWM仿真

Matlab功能強大,其中的Simulink工具箱可以進行SVPWM的仿真。

通過搭建算法的結(jié)構(gòu)圖，對算法進行仿真，得到圖5所示的驅(qū)動波形。從圖中可以看出，驅(qū)動波形是占空比不斷變化的方波。

在驅(qū)動波形通過逆變模塊后，得到圖6所示的三相交流電。從圖中可以看出，三相電壓每一相都是一種趨于正弦波得波形，且分別相差120°，這樣就能很好地模擬旋轉(zhuǎn)的磁場，從而驅(qū)動交流電機。

本文對以TMS320F2812 DSP為控制核心的交流異步控制系統(tǒng)的硬件、仿真等進行了詳細的說明與驗證，對控制方法SVPWM作了比較透徹的分析和推導。說明該方案具有相當?shù)膽们熬昂脱邪l(fā)價值，為批量生產(chǎn)和全面推廣作了認真的鋪墊，為今后創(chuàng)造更先進的算法和更完善的硬件打下基礎(chǔ)。但是，交流驅(qū)動還存在一些不足和缺點有待改進，算法模擬直流電機理論與實際有部分差距，這也為今后的研究制定了目標。

[1]蘇奎峰.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：122-136.

[2]劉和平，張衛(wèi)寧，劉林，等.TMS320C28x系列 DSP指令和編程指南[M].北京：清華大學出版社，2005：197-385.

[3]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993：101-106.

[4]吳振順，姚建均，岳東海.模糊自整定PID控制器的設(shè)計及其應用[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2004，36(11)：1578-1580.

[5]許力.智能控制與智能系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：25-81.

[6]劉金琨.先進 PID控制 MATLAB仿真(第 2版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：102-130.

[7]崔建鋒,李永奇,王義琴,等.基于DSP的開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)位置傳感器誤差補償[J].沿海企業(yè)與科技,2007,87(8)：53-55.

[8]蘇寶平,全力.基于DSP的開關(guān)磁阻電機無位置傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2004,12(9)：846-848.

[9]BACK D K， KO T J， KIM H S.Real time monitoring of tool breakage in a milling operation using a digital signalprocessor[J].Journal of Materials Processing Technology，2000,100(1)：266-272.

[10]Vaez-Zadeh S，SATVATI M R.Vector control of linear Induction motors with end effect compensation[C].Electrical Machines and Systems，ICEMS Proceedings of the Eighth International Conference，2005：635-638.