基于DSP的三相交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

易 群，李彩麗，劉陸平

（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，其對(duì)生產(chǎn)效益的提高、環(huán)境的改善、能源的節(jié)約都起到了非常重要的作用［1，2］。本文設(shè)計(jì)了基于DSP TMS320LF2407A的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n＝60f（1－s）／p，n0＝60f／p（其中，f為電源頻率，s為轉(zhuǎn)差率，n0為同步轉(zhuǎn)速，p為磁極對(duì)數(shù)）可知，同步轉(zhuǎn)速n0與定子電流的頻率f成正比，若能連續(xù)改變電源的頻率則可實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的無級(jí)調(diào)速。本系統(tǒng)即是通過整流、逆變來改變電源的電壓和頻率，從而實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速。

在本系統(tǒng)中，采用TMS320LF2407A為核心控制器，以IGBT功率模塊為核心構(gòu)成系統(tǒng)主電路為系統(tǒng)供電，是系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換單元。系統(tǒng)電路包括主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和各種有用信號(hào)的檢測(cè)電路等［3］。主電路由整流電路、濾波電路、逆變電路和IPM驅(qū)動(dòng)電路組成，如圖1所示。

1．1 整流電路

近年來，在交—直—交變頻器中，大都采用不可控整流電路經(jīng)電容濾波后提供直流電源，以供給后級(jí)的逆變器、斬波器等。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需求，該系統(tǒng)采用三相橋式整流電路，將交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏较蛎}動(dòng)的直流電，并將其集成在IGBT模塊里。

1．2 濾波電路

經(jīng)過整流電路后，其輸出為脈動(dòng)直流電源，為獲得平滑的直流電，需在整流電路的后面加上濾波電路將交流成分濾除，其濾波電路如圖2所示。濾波電容除了濾除整流電路的紋波電壓外，還在整流電路與逆變電路之間作為耦合作用，消除電路中的干擾，為電動(dòng)機(jī)提供無功功率。

圖1 交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路組成

圖2 濾波電路

1．3 逆變電路

IPM逆變電路是將直流電變?yōu)轭l率、電壓均可調(diào)節(jié)的交流電。主電路工作時(shí)，其功率模塊IPM的開關(guān)頻率高，由于電路中電感的存在，在IGBT的集電極C和發(fā)射極E會(huì)出現(xiàn)高頻的尖峰電壓毛刺，會(huì)損壞到IGBT。因此在逆變橋上還需加上一個(gè)緩沖電路，將整流電路與逆變器之間去耦隔離，消除干擾。

1．4 系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

保護(hù)電路在系統(tǒng)中屬于弱電部分，其中包括電路過壓和欠壓保護(hù)、限流啟動(dòng)、過流保護(hù)和IPM故障保護(hù)電路等。本系統(tǒng)保護(hù)電路中采用了電壓傳感器、電流霍爾傳感器檢測(cè)信號(hào)，傳感器將采集到的信號(hào)與給定值相比，若輸出故障信號(hào)，將其送入到DSP的故障中斷入口，進(jìn)而把SPWM封鎖，并斷開主回路，起到保護(hù)作用。

1．4．1 電流檢測(cè)

在三相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，定子電流檢測(cè)即是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼。系統(tǒng)的精度取決于電流信號(hào)的精度和實(shí)時(shí)性，而霍爾式電流傳感器具有響應(yīng)時(shí)間短于1μs的特點(diǎn)，如果電路中出現(xiàn)短路狀況，也能迅速切斷電源，保護(hù)IGBT模塊。本設(shè)計(jì)所采用的霍爾電流傳感器型號(hào)為CSB6－50，其工作電壓為±15V，輸出電流為0mA～10mA。由于TMS320LF2407片內(nèi)的ADC模塊要求輸入0V～3．3V的單極性信號(hào)，必須將霍爾傳感器輸出的小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)放大濾波后送入ADC［4］。電流檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 電流檢測(cè)電路

1．4．2 IPM 的自保護(hù)

智能功率模塊（IPM）是將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等集成在同一個(gè)模塊內(nèi)的一種電力集成電路［5］。假如在IPM模塊中，產(chǎn)生保護(hù)電路動(dòng)作，其IGBT模塊中的柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷門極電流，并且同時(shí)輸出一個(gè)故障信號(hào)（FO），從而進(jìn)行電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)以及短路保護(hù)。IPM內(nèi)部保護(hù)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 IPM內(nèi)部保護(hù)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用DSP自帶的匯編語言編寫軟件CCS編寫程序。系統(tǒng)的軟件大體分為系統(tǒng)的初始化和控制模塊兩個(gè)部分。控制模塊主要包括轉(zhuǎn)速PI控制、SVPWM波形的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)速采樣。

當(dāng)DSP定時(shí)器的下溢功能產(chǎn)生中斷時(shí)，此時(shí)進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，其作用是計(jì)算出下一個(gè)PWM周期的3個(gè)比較寄存器的比較值，并且送入到比較寄存器中。其中斷子程序流程見圖5。其中，Uα、Uβ為空間電壓矢量在定子靜止α、β軸上的分量，SS、SC為矢量象限符號(hào)值，C0、C1、C2為電壓空間矢量和，［M］－1為基本矢量矩陣。

圖5 中斷子程序流程圖

經(jīng)計(jì)算可將電壓空間矢量分為6個(gè)工作扇區(qū)并進(jìn)行判斷之后，將PWM周期的比較值CMP＿0、CMP＿0＋CMP＿1、CMP＿0＋CMP＿1＋CMP＿2送入到3個(gè)比較寄存器CMPR1、CMPR2、CMPR3，實(shí)現(xiàn)PWM 觸發(fā)脈沖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于以上軟、硬件設(shè)計(jì)，在調(diào)試正確的基礎(chǔ)上，將異步電機(jī)進(jìn)行開環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)，分別給定頻率為15Hz、20Hz和50Hz，經(jīng)示波器采集到的電機(jī)的電流波形信號(hào)如圖6所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，電流波形的包絡(luò)線類似正弦波，但是含有諧波分量，產(chǎn)生諧波的原因主要是由于SVPWM波形控制方法本身不可避免地會(huì)造成逆變器輸出波形有所失真；其次，功率開關(guān)器件存在固有的開通與延時(shí)時(shí)間。

圖6 不同頻率的電流波形

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用DSP芯片內(nèi)部集成事件管理器模塊、電機(jī)控制SVPWM信號(hào)輸出接口等，實(shí)驗(yàn)證明DSP TMS320LF2407作為一個(gè)電機(jī)控制的專用集成芯片不僅可以讓控制系統(tǒng)更加靈活，而且數(shù)字化控制提高了調(diào)速系統(tǒng)的可靠性。

［1］ 何瓊，梅建瓊．燃料電池風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真［J］．武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9（1）：51－53．

［2］ 何蘇勤，王忠勇．TMS320C2000系列DSP原理及實(shí)用技術(shù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2003．

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