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基于DSP的矢量控制交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真論文
摘要：研究了一種高性能全數(shù)字交流感應(yīng)電機(jī)矢量控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空間電壓矢量控制技術(shù)為理論基礎(chǔ)，采用IGBT功率模塊作為開關(guān)元件，組成交_直_交電壓型逆變器，采用80C196KC單片bL+TMS320F240 DSP的雙CPU結(jié)構(gòu)，DSP完成實(shí)時(shí)性要求高的矢量控制任務(wù)，16位單片機(jī)完成實(shí)時(shí)性要求比較低的管理任務(wù)，并給出了系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)性能良好，軟硬件結(jié)構(gòu)緊湊，具有很好的開放性。
關(guān)鍵詞：DSP;電壓空間矢量控制;變頻調(diào)速;80C196KC
PWM控制方式是交流變頻調(diào)速控制的基本方法，其中空間電壓矢量(SVf’WM)一被提出后就以其特有的優(yōu)越性能，在電機(jī)調(diào)速方面得到廣泛應(yīng)用，該種方法控制簡(jiǎn)單，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便，顯著減小逆變器輸出電流諧波成分及電機(jī)諧波損耗，降低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提高電壓利用率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)性能良好，軟硬件結(jié)構(gòu)緊湊，具有很好的開放性。
一、空間電壓矢量控制策略嘲
空間電壓矢量控制技術(shù)(SVPWM)是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電一理論和電機(jī)坐標(biāo)軸系變換理論基礎(chǔ)之上的，物理意義直觀，數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，便于微機(jī)實(shí)時(shí)控制，電壓空間矢量法與傳統(tǒng)的SPWM法相比，不但可以減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和鐵損耗，而且可以提高電源的利用率。
二、系統(tǒng)硬件構(gòu)成
系統(tǒng)主電路采用功率開關(guān)IGBT構(gòu)成電壓型逆變器，控制電路采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，由數(shù)字信號(hào)處理器DSP (TMS320F240)、16位單片機(jī)80C196KC、高速高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片及雙口RAM(IDT7133)等作為控制電路主體，還有高靈敏度的檢測(cè)電路和快速的保護(hù)電路等。
(一)主電路
主電路部分全部安裝在散熱器上，采用交.直.交電壓型逆變器形式，由不可控整流橋、濾波電容、逆變器及泵升抑制電路等組成。主電路輸入電壓為380V，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)電路以減少強(qiáng)電對(duì)主回路的沖擊：逆變器部分則實(shí)現(xiàn)直流電到變頻變壓(WVF)交流電的轉(zhuǎn)換，為電動(dòng)機(jī)的定子繞組提供要求的交流電流。在整個(gè)系統(tǒng)故障保護(hù)環(huán)節(jié)中，設(shè)置了主回路過壓、欠壓、過熱、過載、制動(dòng)異常、光電編碼器反饋斷線、通訊故障等保護(hù)，故障信號(hào)由軟硬件配合檢測(cè)，一旦出現(xiàn)保護(hù)信號(hào)，通過軟件或硬件邏輯立刻封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)采用磁平衡式霍爾電流傳感器采樣兩相電流，利用采樣的實(shí)時(shí)電流信息實(shí)現(xiàn)矢量控制和系統(tǒng)的過流保護(hù)。
(二)雙CPU控制系統(tǒng)
雙CPU控制系統(tǒng)由DSP子系統(tǒng)，單片機(jī)子系統(tǒng)，雙口RAM等組成。為了實(shí)觀系統(tǒng)的快速實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了單片機(jī)+DSP雙CPU結(jié)構(gòu)，DSP完成實(shí)時(shí)性要求高的矢量控制任務(wù);FLASH結(jié)構(gòu)的16位單片機(jī)80C196KC作為主機(jī)完成實(shí)時(shí)性要求比較低的管理任務(wù)，如控制參數(shù)設(shè)定、鍵盤處理、狀態(tài)顯示、串行通訊等，單片機(jī)和DSP之間的通訊采用靜態(tài)雙口RAM。
三、系統(tǒng)軟件
全數(shù)字交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心控制程序包含單片機(jī)和DSP實(shí)時(shí)兩部分控制程序。在PWM定時(shí)中斷程序中實(shí)現(xiàn)電流環(huán)采樣及控制、矢量控制、PWM信號(hào)生成，中斷控制周期設(shè)定為100 us，系統(tǒng)控制器的PWM開關(guān)周期設(shè)置為lOkHz，PWM死區(qū)時(shí)間為4ps，PMM信號(hào)采用空間矢量調(diào)制模式;功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷程序則檢測(cè)智能功率模塊的故障輸出，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，DSP的PWM通道將被封鎖，強(qiáng)制輸出變成高阻態(tài)：系統(tǒng)軟件由主程序和PMM定時(shí)中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。主程序在完成系統(tǒng)初始化之后進(jìn)入循環(huán)，等待中斷的發(fā)生。檢測(cè)電流、轉(zhuǎn)速和發(fā)出6路PWM脈沖在DSP的定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中完成。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
采用前面介紹的軟硬件設(shè)計(jì)，完成了變頻器的原理樣機(jī)，輸出頻率0～87Hz，并在實(shí)際用牽引電機(jī)上進(jìn)行了空載實(shí)驗(yàn)。牽引電機(jī)的基本數(shù)據(jù)如下：功率37KW，額定電壓200V，額定電流183A，額定頻率27 Hz。
該系統(tǒng)以空間電壓矢量控制技術(shù)為理論基礎(chǔ)，采用IGBT功率模塊作為開關(guān)元件，組成交-直.交電壓型逆變器，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用單片tfl,+DSP雙CPU結(jié)構(gòu)，滿足了交流牽引電機(jī)的調(diào)速控制要求。系統(tǒng)保護(hù)功能完善，具備常規(guī)的過載、過壓、短路、缺相、過流等保護(hù)，還可以LED顯示故障類型。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)性能良好，軟硬件結(jié)構(gòu)緊湊，方案合理，工作可靠，提高了工作效率。
參考文獻(xiàn)：
[1]陳國呈.PWM變頻調(diào)速技術(shù)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998.
[2]吳守箴，臧英杰，電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)Ⅱ[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.
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