魏成崗

摘要：電機是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種動力設(shè)備，隨著精細(xì)化生產(chǎn)的逐漸推廣，各種生產(chǎn)場合對動力供給的質(zhì)量提出了更高的要求，以往的電機調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定性和精確性方面存在不足，必須加以改進(jìn)。本文將DSP技術(shù)同SPWM技術(shù)進(jìn)行了有機結(jié)合，共同完成了交流電機的動態(tài)調(diào)速工作，并對相關(guān)的系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，具有一定的參考價值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：交流電機；調(diào)速；DSP；SPWM

交流電機的使用非常廣泛，幾乎出現(xiàn)在我國的各種生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)，為我國生產(chǎn)力的發(fā)展提供了有力的支撐。對交流電機動力供給模式的不斷改進(jìn)，對其控制策略的不斷優(yōu)化一直是電氣自動化領(lǐng)域研究的熱點，而其中影響最廣泛，效果最明顯的就是對交流電機的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行實時化的動態(tài)控制。調(diào)速系統(tǒng)的存在，可節(jié)約大量的能源損耗，是交流電機以最合適的速率運轉(zhuǎn)，從而提高其靈活性，為不同的動力需求場合提供最合適的動力源。本文從交流電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)入手，研究其運行的基本原理，并提出采用SPWM技術(shù)和DSP技術(shù)對現(xiàn)有的交流電機調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了切實可行的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作方案，經(jīng)過實踐證明，該系統(tǒng)的引入，有效的提高了交流電機調(diào)速工作的快捷性和準(zhǔn)確性，并可對能耗進(jìn)行合理的控制，降低了生產(chǎn)成本。

一、SPWM技術(shù)

SPWM指的是正弦脈寬調(diào)制波技術(shù)，其功能是將工業(yè)上常用的正弦波信號轉(zhuǎn)化為各種電氣設(shè)備更容易解析的脈沖波信號，從而在自動化控制領(lǐng)域可以發(fā)揮重要的提高響應(yīng)速度的作用。其基本原理是采用一系列的等寬度的等腰三角形波與正弦波疊加對照參考，這兩種波形的交點即為控制點，從而形成開關(guān)量，對被控對象進(jìn)行導(dǎo)通與關(guān)閉的控制，當(dāng)正弦波取值大于三角波時取值，即控制激活逆變器的開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)正弦波取值小于三角波時取值，則控制激活逆變器的開關(guān)管斷開，逆變器根據(jù)開關(guān)間隔的選擇而產(chǎn)生等幅不等寬的脈沖波信號。

針對工業(yè)中對調(diào)速工作靈活性的需求，因此引入變頻技術(shù)。該技術(shù)的核心理念是通過頻帶的劃分而形成不同的控制區(qū)域，眾所周知，無論何種信號都具有頻率，控制指令信號也是一樣，通過事先規(guī)定好不同指令具有的特定的頻率，就可讓調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)收到信號的頻率處于哪一個頻帶來判斷控制臺發(fā)出的是何種指令，隨后對該指令作出相應(yīng)，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓信號進(jìn)行輸出，實現(xiàn)對電機的靈活調(diào)控。

二、交流電動機的調(diào)速原理

轉(zhuǎn)速公式：（1）

式中各項因子如下：f：電源頻率；p：電動機磁極對數(shù)；s：轉(zhuǎn)差率。

通過上式中各個參數(shù)之間的關(guān)系可以得出以下結(jié)論，對交流電機的調(diào)速操作，可以通過改變上式中的三個參數(shù)來完成，以此對應(yīng)三種調(diào)速方法，分別為：

（一）變極調(diào)速，其原理是通過改變電機定子繞組的極數(shù)來完成調(diào)速。這一方式最大的缺點是過于死板，其調(diào)速工作受到了極大的限制，只能在有限的幾個固定速率間切換，無法根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)變化靈活的調(diào)節(jié)電機速度，使用范圍相對較小。

（二）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，該方法最大的缺點是系統(tǒng)能耗高居不下，極大的提高了生產(chǎn)成本，浪費了大量的能源。而不斷地減低能耗，提高系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率，降低運行成本已經(jīng)成為廣大工業(yè)用戶在選用控制系統(tǒng)時的首要目標(biāo)，因此該種方式將自身的最大優(yōu)勢給抵消了，故同樣沒有得到推廣，且該方案只能針對旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速恒定的電機才有效。

（三）變頻調(diào)速，即本設(shè)計所采用的調(diào)速方式，此方式是通過調(diào)節(jié)供電電源頻率來實現(xiàn)對電動機的調(diào)速，其效率和能耗明顯優(yōu)于上述兩種調(diào)速方式。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件設(shè)計的主體結(jié)構(gòu)如下圖所示，主電路由整流濾波電路和SPWM逆變電路兩個部分組成。其工作原理是把輸入的單相交流電壓通過整流濾波電路變?yōu)槠交闹绷麟妷?，然后再通過逆變電路對該直流電壓進(jìn)行斬波，形成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電供電機使用。

（一）控制電路模塊

控制電路模塊采用TMS320LF2407A型號DSP。它的優(yōu)點在于可以將實時處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，簡化了電路設(shè)計方案，提高了控制系統(tǒng)的運算速度，主要包括：電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、接口JTAG電路、擴展SRAM等。

（二）調(diào)速系統(tǒng)的軟件模塊

該系統(tǒng)平臺以功能為核心，將各個部件合理分割，成為不同的功能模塊，極大地降低了系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的耦合性，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。模塊之間通過接口編程來實現(xiàn)互通連接，大體上由兩部組成：上位機監(jiān)控程序和下位機控制程序。上位機面向用戶，向用戶提供簡潔明了的人機操作界面，完成對用戶控制指令的讀取和解析，同樣實現(xiàn)對PC機串口的讀寫操作；下位機負(fù)責(zé)串口通信、SPWM輸出、故障監(jiān)控等功能，以下為主要工作流程：

首先，主程序主要負(fù)責(zé)DSP初始化、串口接收發(fā)送、循環(huán)等待等。

1.串口通信中斷服務(wù)程序。串口通信中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)接收上位機發(fā)送的參數(shù)給定信息，然后將該信息送給DSP控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2. SPWM中斷服務(wù)程序。SPWM中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)根據(jù)給定頻率完成SPWM波形的產(chǎn)生，是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，其程序流程如圖2所示。

3.故障中斷服務(wù)程序

故障中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)接收PDPINT引腳的故障信號，當(dāng)接收到故障信號時立刻封鎖PWM輸出，斷開主電路并顯示相應(yīng)的故障，避免系統(tǒng)和IPM功率模塊燒壞。

四、結(jié)束語

目前，在交流電機的變頻調(diào)速領(lǐng)域研究較多，已經(jīng)形成多個系列的控制策略，由于技術(shù)選型和被控對象的不同，這些控制策略也各有優(yōu)缺點。本文選取DSP和SPWM技術(shù)為核心，最大限度的利用了DSP靈敏度高、可控性強、穩(wěn)定性好的特點，對交流電機的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。通過大量的實踐證明，本系統(tǒng)可明顯的提高交流電機的調(diào)速質(zhì)量，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)精度高，同時可有效的節(jié)約系統(tǒng)的能耗。相信隨著自動化技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展與融合，未來會出現(xiàn)更加優(yōu)秀的控制方案，進(jìn)一步提高交流電機調(diào)速工作的質(zhì)量，為我國的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)做出更多的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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