基于DSP電機調速系統

肖乾湘

摘 要 基于DSP電機調速系統中，電機的轉速響應快，轉矩的波動小，超調量小，動態性能和靜態性穩定。該仿真是對該調速系統設計思路的驗證，結果證明設計思路是可行的，在實際系統設計中可以以該仿真為依據，進行硬件電路的搭建和控制程序的流程設計。

關鍵詞 DSP 調速系統 電路 仿真

中圖分類號：TM3 文獻標識碼：A

1電機調速系統簡介

1.1電機生產中的分類

機械生產中廣泛使用了兩種技術：第一種是不改變同步轉速的方法，其中又分為了轉子串電阻調速、斬波調速、串級調速、應用電磁磚差離合器（又如液力偶合器、油膜離合器）等調速方式。第二種是改變同步轉速的方法，改變定子極對數的多速電動機，其中又分為改變定子電壓、頻率的變頻調速。

1.2電機方式的分類

從調速的方式來看電機調速分為調壓調速、變極調速、變頻調速、電磁調速。

（1）調壓調速顧名思義，就是變動電動機的定子電壓實現調速的目的。調壓調速時對于單相電動機來說電壓是在0-220V之間的電壓值；對于三相電動機來說電壓是在0-380V之間變化的。調壓調速方式的優點在于調速過程中產生的轉差能量再次循環利用使得這種方式效率高，缺點在于功率因素較低，并且有諧波干擾、運行時沒有制動轉矩一般用于單象限運行的負載。

（2）變極調速的定義是改變電動機定子繞組的接線方式來變動電動機磁極的對數，進而逐步有級的變化同步轉速來實現電動機轉速有級地調速。變極調速的電動機產品比較定型，例如單繞組多速電動機。變速調速電動機的優點在于沒有附加的差基損耗、效率高，并且控制電路很簡單、便于維修、制作成本低，還可以與定子調壓或者電磁轉差離合器組合使得效率提高。

（3）變頻調速，就是用改變異步電動機定子端輸入電源的頻率使之連續可調來改變它的同步轉速，實現電動機調速的方法。變頻電機是最節能高效的電機，其優點在于無附加轉差損耗，效率高，調速范圍廣。在低負載運行的時間較長，或者起停運行較頻繁的場合可以有節電保護電機的作用。缺點是技術相對復雜，成本較高。

（4）電磁調速就是通過電磁轉差離合器來實現調速的目的。電磁調速異步電動機俗稱滑差電動機，是一種比較簡單可靠的交流無極調速設備。這種電動機采用組合式結構，由拖動電動機、電磁轉差離合器和測速發電機等組成，測速發電機是作為轉速反饋信號源供控作用。這種電動機的無極調速是通過電磁轉差離合器來實現的。其優點在于結構較簡單，控制裝置容量小，成本便宜，并且運行可靠維修簡單，沒有諧波干擾。缺點在于速度損失較大，效率比較低。

2三相交流電機

2.1 三相同步電機

直流電機中，用換向器繞組代替轉子繞組，可以使定子磁場與轉子磁場相對靜止，產生恒定的電磁轉矩，從中我們想到，將電機定子繞組改造成三相對稱繞組A-X、B-Y、C-Z，在這個系統中三相對稱繞組中通入三相對稱正弦電流，就會產生幅值恒定的旋轉磁場，其轉速等于相電流的角頻率。將轉子繞組嵌入轉子槽中，做成分布繞組，將此分布繞組作為勵磁繞組，通入勵磁電流，這時在氣隙中就會產生正弦分布且幅值恒定的勵磁磁場，之后它隨著轉子一起旋轉。

定子磁場和轉子磁場相互作用，之后形成電磁轉矩。定子旋轉磁場速度ws和轉子速度wr的大小決定了這兩個磁場軸線間的電角度，當ws=wr，時，這個電角度為常數，兩個磁場的相對位置不變，產生恒定的電磁轉矩。三相同步電機穩態工作時，定子旋轉磁場幅值恒定，在勵磁繞組中不會產生電動勢。但轉子磁場在定子繞組中卻會產生電動勢。

同步電機中轉子線圈與定子線圈的等效勵磁電感相等，用Lm來表示，再用Is表示定子電流，用If表示分布繞組中的勵磁電流，用 表示定子旋轉磁場在d-q坐標系中的空間相位，則電磁轉矩te可由下面公式計算得到：

te= - IsIfLmsin （1）

式（1）中的負號表示電磁轉矩的方向應使 減小。用 f表示勵磁繞組磁鏈，其大小為：

f=LmIf （2）于是，式子（1）又可以改為：

te= fIssin （3）

2.2 三相異步電機

2.2.1 三相異步電機的歷史

在說三相異步電動機之前，我們先說電動機的歷史。直流電機和交流電機相繼誕生于19世紀，拿直流電動機和交流電動機想對比的話，直流電機的轉矩更加容易控制，并且直流調速系統具有起、制動性能較好，調速范圍廣，靜差小及穩定性能好等優點，因此作為調速系統的首選機型。隨著工業的發展，由于直流電動機內部采用的是機械式換向器，所以大功率高速度的直流電動機設計起來極其復雜，而復雜的設計又造成了價格方面的昂貴以及維護方面的麻煩，在特大功率，超高速度的場合中直流電動機甚至根本無法設計使用使得人們技術突破造成了瓶頸。

隨著現代控制理論的發展，電力電子技術的突破以及微機控制的出現，交流電機的速度控制在理論上得到驗證，在實際應用中得到了技術上的支持，控制技術越來越成熟，調速性能已經能和直流電機相媲美，應用范圍甚至超過了直流電機，并且伴隨著交流電動機的先天優勢：結構比較簡單、制造成本比較低、維護起來也較為經濟，交流調速系統的客觀發展趨勢已經說明總有一天直流電機會完全被交流電機取代。

三相異步電機是當今應用最廣泛的交流電機之一，因此對它的控制策略與如何節約能源相結合的研究對基礎工業自動化而言具有舉足輕重的意義。

2.2.2 三相異步電機的試驗內容

這次主要的研究課題就是基于TMS320LF2407A電機數字控制DSP芯片的空間矢量模糊調速系統的研究。本次研究我們運用了磁場定向技術、矢量控制理論、SVPWM算法以及模糊控制理論，并由Simulink的仿真來證實該系統動、靜態性能好，穩定性高、魯棒性強、抗干擾能力強等等特點。

（1）矢量控制技術簡介

為了使非線性，強耦合的三相異步電機獲得較高的動態調速性能，研究人員于上世紀70年代提出了基于轉子磁場定向技術的矢量變換方法，即利用坐標變換的方法把三相靜止坐標系下的定子電流、電壓和主磁鏈，變換到以轉子磁場定向的兩相旋轉坐標系下，這樣，定子電流就被分解成了勵磁電流和轉矩電流兩個分量，矢量控制的基本思想就是通過對這兩個電流分量的相位和幅值分別進行控制來實現對電機轉矩的控制。實質上而言，矢量控制技術所包含的主要內容是電機等效電路，磁鏈方程，轉矩方程以及坐標變換。

（2）SVPWM算法

空間矢量脈寬調 （Space Vector Pulse Width Modulation）簡稱為SVPWM，它是基于如何使三相異步電機獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場為思路而產生的電機控制算法。SVPWM的總體構想是在一個控制系統中把逆變器和電機當做一個整體來考慮，因此對按照這種設想來建立的數學模型進行分析比較簡單，實時控制起來也比較方便，實際系統中輸出電壓和電流中產生的諧波少，并且從節能方面來考慮，相比起傳統的SPWM算法而言，SVPWM算法的電壓利用率也要高出15%。

（3）模糊控制理論

模糊控制理論最早是在1965年就由美國學者L.A.zadeh首先提出，經過多年研究之后在1973年他又給出了模糊邏輯的定義和相關定理。到了1974年，英國學者E.H.Mamdani首先嘗試利用模糊控制語句構造模糊控制器，并將它用在鍋爐和蒸汽機的控制上，這一次嘗試不僅取得了成功，而且這一歷史性的創舉標志著模糊控制理論的誕生以及運用。模糊自動控制是以模糊集合論，模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機或者微機數字控制，在實質上它是一種非線性控制，從屬于智能控制理論的范疇，并且具有系統化的理論基礎，同時還具有大量的實際應用。模糊控制理論發展至今已經40多年了，不管是在理論上還是在技術上都有了飛速發展，因此它成為了自動控制領域最有成果的分支之一。

2.2.3 三相異步電機的DSP結構

用霍爾器件測量逆變器輸出的定子電流iA、iB經過DSP的A/D轉換器變化為數字量的，并且利用式子ic=-（iA+iB）來算ic，再通過Clarke和Park變換把電流由iA、iB、ic變換成旋轉坐標系中的各個直流分量作為電流環的負反饋量。由于異步電動機的轉子機械轉速與轉子磁鏈轉速不同步，所以用電流一磁鏈位置轉換模塊求出轉子磁鏈位置，用于參與Park變換和逆變換的計算。給定轉速n`與轉速反饋量n的偏差經過速度PI調節器，其輸出作為用于轉矩控制的電流T軸參考分量iT`。iT*和iM* （等于零）與電流反饋量iT、iM的偏差經過電流PI調節器，分別輸出M、T旋轉坐標系的相電壓分量V M*和V T*。V M*和V T*再通過Park逆變換轉換成 、 直角坐標系的定子相電壓矢量的分量V *和V *。當定子相電壓矢量的分量V *、V *和其所在的扇區數已知時，就可以利用電壓空問矢量SVPWM技術，產生PWM控制信號來控制逆變器。以上操作完全可以全部采用軟件來完成，從而實現三相異步電動機全數字實時控制。

2.2.4 三相異步電動機的軟件設計

我們用TM320LF240DSP實現轉子磁場定向的矢量控制算法來設計，這個系統是包括系統主程序和中斷服務子程序構成的。主程序主要完成DSP芯片的控制系統初始化部分，可以用C語言進行編程來提高程序的可讀性；中斷服務程序時完成矢量控制算法的主要部分，其采用了DSP的匯編語言編程來滿足系統對實時性的要求。

2.2.5 系統的仿真

轉速階躍給定為1500r/min，直接啟動電機，在2s、4s、6s、8s負載為：20N·m、15N·m、25N·m、20N·m。仿真表明，系統的動態響應快、超調量小及抗干擾能力強。

綜上所述，以上結果可以看到該電機速度控制系統中電機的轉速響應快，轉矩的波動小，超調量小，動態性能和靜態性穩定。該仿真是對該調速系統設計思路的驗證，結果證明設計思路是可行的，在實際系統設計中可以以該仿真為依據，進行硬件電路的搭建和控制程序的流程設計。

參考文獻

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