三相異步電動機變頻調(diào)速與仿真

郭剛花

摘 要：該文從交流電機的變頻調(diào)速技術(shù)入手來達到電機節(jié)能運行的目的，嘗試設(shè)計出了一種以TMS320LF2407A DSP芯片為控制核心，（IPM）PM25RSB-120為主電路，并采用矢量控制理論的交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。從仿真結(jié)果上看出這種控制思想能較為直觀的對磁通和轉(zhuǎn)矩進行控制進而達到調(diào)壓、調(diào)速的目的。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器 智能功率模塊 三相異步電動機 矢量控制

中圖分類號：TM 343 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0118-02

在當今世界發(fā)展潮流中，能源問題愈加凸顯，電能作為消耗最多也浪費最多的能源中的一種，長久以來，各國學(xué)者專家把如何高效利用電能減少浪費作為研究課題；隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，電機應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域，推行高效的節(jié)能的電機保證電網(wǎng)穩(wěn)定和安全運行、電能高效利用已成為必然趨勢。電機調(diào)速廣泛存在于我們周圍，其主要分類有直流電機和交流電機。直流電機好控制，因此用在很多場合。電力電子控制器件的發(fā)展、各種控制方法在應(yīng)用上的逐步成熟，未來交流電機應(yīng)用將遠大于直流電機。

1 調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

1.1 硬件概述

基于TMS320LF2407A的總體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

主電路選擇交-直-交電壓型變頻器。整流橋采用二極管三相整流全橋，逆變橋采用IPM作為功率器件，DC-link環(huán)節(jié)利用大電容濾波。控制電路共兩大部分，TMS320LF2407A DSP核心電路和其外部擴展電路。

1.2 逆變電路模塊設(shè)計

考慮到2～2.5倍的安全系數(shù)，可取耐壓值為1 200 V。考慮 2～2.5 倍的安全裕量，通態(tài)峰值電流取25 A。因此，選用PM25RSB-120型IPM。

1.3 泵升電壓限制電路設(shè)計

由于電壓型變頻器很難實現(xiàn)再生制動，可用電阻Rb消耗電機制動過程中產(chǎn)生能量。電機制動時，整流器與逆變器都工作在整流狀態(tài)，此時電機發(fā)電，電容雙向充電，DC環(huán)節(jié)的直流電壓（泵升電壓）就會變大，對此電壓不限制，就可能擊穿IGBT。為此要給電動機提供一條降壓路徑。IPM 自帶制動單元，Br、B為其信號出入后， DSP通過圖1中的兩個10 k的電阻 R1、 R2檢測電容器端電壓，測得電壓高于正常直流電壓一定倍數(shù)時，DSP 的 I/0 口發(fā)出信號，并經(jīng)過光電隔離觸發(fā)IGBT7，使其導(dǎo)通，從而使電容器儲存的能量消耗在制動電阻上。

1.4 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計

光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是測量角速度器件，在跟隨電機轉(zhuǎn)動過程中，通過光柵對光照通道的開放遮蔽獲得頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖。處理后都方波脈沖進入DSP的QEP1、QEP2引腳并取時間段計算輸入脈沖個數(shù)-M法測速。在這里我們采用OVW2-2048-2MD型旋轉(zhuǎn)編碼器，它由+5V供電，有A相、B相和Z相。其中A、B相位相差90度，用于測速；每轉(zhuǎn)一圈輸出2 048個脈沖；Z相用于基準點定位。

1.5 電流檢測電路設(shè)計

該文三相定子的電流、中間環(huán)節(jié)的直流電壓都可以通過電流檢測來實現(xiàn)。選用工作電壓為±15V的CHB5-P型霍爾電流傳感器來檢測電流，它能夠測量±10 A之間的電流。檢測定子電流時，只需2個并行的信號通道來檢測定子的兩相輸入電流。由于DSP I/O口的基準電壓是3.3 V，需要將霍爾電流傳感器檢測到的交流量轉(zhuǎn)化成為0～3.3 V的直流量。 雙運算放大器LM358、電阻R27、R28、R30 LM366組成電平偏移放大電路。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該文采用TMS320LF2407A DSP 芯片為控制核心。 系統(tǒng)軟件設(shè)計分為主程序和中斷服務(wù)子程序兩個模塊，矢量控制的DSP實現(xiàn)如圖2所示。

通過電流傳感器測量IPM輸出的定子A、B兩相電流，經(jīng)DSP數(shù)字化轉(zhuǎn)換后由三相電流矢量的關(guān)系得出C相電流，經(jīng)過Clarke與Park變換后，三相電流變成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標下的直流分量ist，ism作為電流環(huán)的負反饋。電機轉(zhuǎn)速則通過光電編碼器經(jīng)由DSP轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速。給定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速反饋量的差值經(jīng)過ASR，其輸出作用于T軸的電流轉(zhuǎn)矩分量ist并與給定轉(zhuǎn)速n得出轉(zhuǎn)矩偏差，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器得到。另由轉(zhuǎn)子磁通給定值與磁鏈觀測器的輸出經(jīng)由磁鏈調(diào)節(jié)器得出。和再經(jīng)過Park逆變換與2/3變換轉(zhuǎn)化為成坐標系下的定子三相相電流、和；最后通過電流滯環(huán)型PWM變頻器控制PWM波形從而控制電機輸出電流。

3 系統(tǒng)的MATLAB建模和仿真

該文主要運用MATLAB中的SIMULINK依據(jù)圖4-1對系統(tǒng)進行了完整的模型搭建。對系統(tǒng)中的電流滯環(huán)跟蹤控制器（CHB）、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）、磁鏈調(diào)節(jié)器（AR）和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器（ATE）以及電流和轉(zhuǎn)子磁鏈觀測進行了搭建，做出了波形仿真。

3.1 電流滯環(huán)跟蹤控制器模塊

由于Relay模塊會使仿真速度變慢，為加快仿真速度，采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊Conversion以保持輸入輸出數(shù)據(jù)類型一致。

3.2 電流變換及磁鏈觀測模塊

從abc到qd0轉(zhuǎn)換時，幅值相差倍，需在abc-dq0后加一個參數(shù)為的Gain模塊；此外還要用Terminator模塊把dq0的0軸封鎖。

3.3 系統(tǒng)整體模型搭建及仿真

輸入電機參數(shù)如下：UN=380 V，PN=1000W，IN=3.66 A，fN=50Hz，rN=1430r/min，Rs=0.435Ω，L1s=0.002H，Rr=0.816Ω，L1r=0.002 H，Lm=0.069 H，J=1.9 kg/m2，二對極。

（3）

式中，為0dq坐標下定、轉(zhuǎn)子繞組自感，為轉(zhuǎn)子自感繞組，為時間常數(shù)，總體系統(tǒng)模型如圖3所示。

電機空載啟動，給定值為1，在0.75S時給定一個初值為100，終值為300的階躍信號直觀的觀察三相定子電流變化情況和系統(tǒng)的速度與轉(zhuǎn)矩輸出波形，如圖4、5所示。

4 結(jié)語

該文設(shè)計了一個以DSP為控制核心的交流電機變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，較為系統(tǒng)的給出了三相異步電機變頻調(diào)速的基礎(chǔ)理論知識，并從理論框架中提出一種具有可行性的方法作為設(shè)計主體思路。最后在一系列的模塊設(shè)計后完成后搭建出了SIMULINK仿真模型，結(jié)果表明了系統(tǒng)的可行性。

參考文獻

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