dsPIC30F6010雙閉環矢量法在電機控制中的應用

張健，王笑竹

(營口理工學院 機電工程系，營口 115014)

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dsPIC30F6010雙閉環矢量法在電機控制中的應用

張健，王笑竹

(營口理工學院 機電工程系，營口 115014)

摘要:基于dsPIC30F6010芯片，采用全數字雙閉環矢量法控制三相交流異步電動機，研究找出實現三相交流異步電機控制的實用方法。實驗結果表明，電機起動快速、運行平穩，具有較寬的調速范圍，精度較高，當測量轉速達到1000 r/min以上時，轉速精度小于等于0.8%，滿足了三相交流異步電動機的調速控制需求。

關鍵詞:雙閉環矢量法；dsPIC30F6010；調速控制；ACIM

引言

長期以來，交流異步電動機的調速是一個難題。直到20世紀70年代，由于計算機的產生，以及新型快速電力電子元件的出現，才使得交流異步電動機的調速成為可能。交流電機變頻調速是當今節約電能、改善生產工藝流程、提高產品質量以及改善運行環境的一種重要手段。

以兼具單片機控制性能強、價格低廉的特點和DSP

運算優點的dsPIC30F6010作為控制芯片，采用全數字雙閉環矢量法控制三相交流異步電動機，是目前開發研究的熱點，對變頻器的改進和三相交流異步電動機的控制具有一定的參考價值[3]。

1三相交流異步電動機的數學模型

在靜止α、β坐標系統中，異步電機狀態方程為[4]：

(1)

h=Ls×Lr-Lm×Lm

其中：Rs為定子繞組電阻；P為微分算子；Rr為轉子繞組電阻；Ls為α軸定子和轉子繞組等效電感；ωr為轉子角速度；Lr為β軸定子和轉子繞組等效電感；Lm為α、β坐標系統中定子與轉子間同軸等效繞組間的互感。

電機的電磁轉矩方程為：

(2)

機械轉速方程為：

(3)

其中：Tl為負載，D為一個常數。

(4)

因此，檢測兩相電流iα與iβ可以根據矩陣表達式(4)計算定子靜止兩相電流分量iα與iβ，稱為Clarke變換。相反，如果已經知道定子靜止兩相電流分量iα與iβ，那么就可以進行Clarke逆變換[5-6]。

(5)

得到電流iA與iB后，根據iA與iB,可求得電流iC。

(6)

式(6)的反變換形式為：

(7)

2控制系統硬件結構設計

開發板采用美國微芯公司的dsPICDEM 1.1電機開發板，如圖1所示。主芯片是dsPIC30F6010,具有液晶顯示模塊；A/D轉換功能接口；LED、開關、按鍵、電位器和溫度傳感器；編碼器接口；RS232串口；捕捉接口；RS485端口；晶振為7.372 8 MHz；支持MPLAB ICD2和MPLAB ICE 4000仿真器，配套IDE軟件開發環境。

圖1　電機開發板

系統硬件結構如圖2所示。速度傳感器用來檢測速度；控制器是用來接收檢測的定子電流信號和速度信號，發出PWM信號；驅動電源用來檢測定子電流信號、做交-直-交的變換來控制電機。

圖2　系統硬件結構

3控制系統的軟件設計

3.1開環控制結構設計

通過dsPIC30F6010的軟件,設定載波頻率為10～20 kHz(這個頻率段正弦逼近程度是最好的，而且在IPM開關頻率之內)，該控制器的MCPWM模塊的三對PWM口(H為高端接IGBT的上橋臂，L為低端接IGBT的下橋臂)，采用中心對齊模式發出PWM控制信號(該配置將在每一個周期內產生兩個線-線脈沖，有效開關頻率加倍，紋波電流減小，同時并未增加功率器件的開關損耗)。通過死區寄存器DTCON1把死區時間定為2 μs，使用XT振蕩器4倍頻PLL(Fcy=Fosc/4，所以4倍頻PLL后，Fcy=Fosc)。

啟動采用SVPWM開環控制。本文選用七段式電壓空間矢量PWM波形，由3段零矢量和4段相鄰的兩個非零矢量組成，3段零矢量分別位于PWM波的開始、中間和結尾。其中每個扇區Ux、Ux±60的選擇順序為第0扇區，Ux=U0、Ux±60= U60；在第1扇區，Ux=U120、Ux±60= U60；在第2扇區，Ux=U120、Ux±60= U180；在第3扇區，Ux=U240、Ux±60= U180；在第4扇區，Ux=U240、Ux±60= U300；在第5扇區，Ux=U0、Ux±60= U300。七段式SVPWM的PWM波形如圖3所示。

圖3　七段式SVPWM的PWM波形

3.2閉環控制結構設計

閉環子程序用來完成矢量雙閉環控制程序流程如圖4所示。

圖4　閉環運行子程序

4實驗研究

實驗用的是YS-7124系列鼠籠式三相交流異步電動機，其中功率為370 W，額定電流為1.94/1.12 A，額定電壓為220/380 V，額定頻率為50 Hz，額定轉速為1400 r/min，效率為69.5%，功率因數為0.72，堵轉轉矩/額定轉矩為2.4，堵轉電流/額定電流為6，最大轉矩/額定轉矩為2.4。

4.1開環實驗

圖5　30Hz SVPWM 三相電壓波形

從圖5和圖6中可以看出，每兩相電壓的相位差是120°。從表1中可以看出，電機從2 Hz開始轉動，在10 Hz以后速度接近理論值，在達到額定頻率時轉速略高于額定轉速1400 r/min。電機在低頻下運行不穩定的原因在于頻率較低時，電壓下降過大，造成臨界轉矩下降。與硬件設備相同的(本試驗設備)，調制度為1時的5 Hz開始轉動的SPWM控制相比，前者的電壓利用率要高。對于角接三相異步電機，驅動電源外接220 V交流電，當SPWM調制度為1時，相電壓的有效值最大為110 V，角

圖6　30Hz SVPWM的PWM波形

接相電壓等于線電壓。實際測得SVPWM在50 Hz下的電壓是120 V。SVPWM的電壓利用率比SPWM高，調速范圍寬，證明矢量控制采用SVPWM技術具有優越性。

表1　速度測量表

電機的速度在25個PWM周期(2.5 ms)調節一次，啟動運行時間大約為0.6 s(可根據要求調整)， 實驗圖形表明：上升時間tr大約在0.11 s，峰值時間tp在0.6 s左右，超調量Mp大約為12%，有3次振蕩，調整時間tS為0.84 s左右，在1000 r/min穩定時最大誤差為1.5%。

4.2閉環實驗

單閉環控制速度圖如圖7所示，矢量控制轉速圖形如圖8所示。

圖7　單閉環控制速度圖

圖8　矢量控制轉速圖形

從矢量的實驗現象可以看出，電機在空載的條件下，調速范圍較寬，能達到50～1400 r/min，系統能夠快速、穩定地達到設定值，整個系統能很好地實現電機的正轉、停止、反轉等功能。

可以看出，矢量控制雙閉環的速度波動比啟動運行時的電機速度波動要小，而且在同一PI調節參數下，速度調節要比單閉環更平穩。

電機的速度在25個PWM周期(2.5 ms)調節一次，啟動運行時間大約為0.6 s(可根據要求調整)，上升時間tr大約在0.3 s，峰值時間tp在0.8 s左右，超調量Mp非常小，大約為0.1%，幾乎無振蕩，調整時間tS為0.84 s左右，電流變化也較小，并且穩定后接近正弦波形，矢量控制電機運行非常穩定，因編碼器干擾等原因速度值存在2%以下的誤差(50～1400 r/min)。對比單純的SVPWM開環控制在1000 r/min的誤差2%，單閉環的1.5%，矢量雙閉環控制系統在1000 r/min時，實際最大誤差僅為0.8%，而且雙閉環的超調量要遠遠小于單閉環，且無振蕩。dsPIC30F6010指令多為單周期指令，所以運行速度也快，從而可以看出本控制系統的優越性。

結語

參考文獻

[1] 王莉,王潤孝,彭傳彪.智能控制在交流調速中的應用[J].微特電機,2006(5):40-42.

[2] 高美霞,柏建普.87C196MC單片機控制的SPWM交流調速系統得應用[J].工業儀表與自動化裝置,2006(5):44-46.

[3] 徐建,伍小東,劉川來.交流異步電動機全數字矢量控制的DSP實現[J].機械工程與自動化,2004(2):86-88.

[4] 高瑩,謝吉華,陳浩.SVPWM的調制及諧波分析[J].微特電機,2006(7):10-11.

[5] 趙文祥,劉國海,吉敬華.基于DSP的全數字矢量控制SVPWM變頻調素系統[J].電機與控制學報,2004,8(2)：175-178.

[6] 劉明,胡立,黃聲華.基于dsPIC轉差頻率矢量控制在電梯控制中的應用[J].電機與控制應用,2006,9(3):47-50.

張健(實驗師)，主要研究方向為電力電子與電力傳動、電機控制等；王笑竹(講師)，主要研究方向為超聲電機與壓電材料。

Application of dsPIC30F6010 Double Closed -loop Vector Method in Motor Speed Control

Zhang Jian,Wang Xiaozhu

(Department of Electrical Engineering,Yingkou Institute of Technology,Yingkou 115014,China)

Abstract：The paper finds out the practical method to realize the three-phase AC asynchronous motor control using the full digital double closed loop vector method which based on dsPIC30F6010 chip.The experiment results show that the motor starts fastly,runs smoothly,has a wider range of rotational speed modulation,and has high precision as well.When the speed is faster than 1000 r/min,the precision of rotational speed is smaller or equal to 0.8%,which can meet the demand of speed modulation control of three-phase AC asynchronous motor.

Key words:double closed-loop vector;dsPIC30F6010;speed modulation control;ACIM

收稿日期：(責任編輯：薛士然2015-06-02)

中圖分類號:TM331

文獻標識碼:A