基于單DSP的交流感應電動機自動控制技術研究

王喜柱，侯 姍

（晉中職業技術學院，山西 晉中 030600）

0 引 言

電子及電子計算機控制等先進技術的出現和發展，促使交流感應電動機的電流控制要求不斷提升。交流感應電動機性能的衡量離不開啟動電流和啟動轉矩。傳統提高交流感應電動機性能的方法只能提高性能，而其他方面會影響電動機的運行結構和持久性。數字信號處理器（簡稱DSP）的內核具有高效處理能力，擁有面向電動機的專用設備。DSP技術和交流感應電動機相結合，可提高電動機性能，實現電動機的自動控制，簡化控制器的設計，促使電動機成為全數字系統[1]。

1 基于單DSP技術的硬件設施

電動機硬件設施包括主電路、處理器及電路測量三部分。

（1）主電路。采用智能型功率設置IPM，IPM除包括7個IGBT和其他驅動電路外，還設置了診斷信號。

（2）處理器。選擇數字信號處理器（DSP），主要突出了高速計算能力。為完成實時反饋，可將整個處理器的計算周期控制在可調控范圍內。

（3）電路測量。只需測量主電路中的電流、直流側電壓以及脈沖。本技術需使用電流感應器檢測主電路的電流，以此產生0～5 V的信號。一旦DSP模塊感應到由IPM模塊進入的信號，可通過數字I/O口獲得相應對策，從而保護電路的安全[2]。

2 基于單DSP技術的軟件程序

軟件設施按照流程分為9步，開始和結束是通用

的固定程序。在整個程序中，有3個判斷步驟，每一個判斷步驟都有其存在的必要性。初始化設置可防止上一計算結果繼續記憶在程序中而影響本次計算結果，在初始化設置下加入判斷步驟可再一次確定是否已初始化。通過計算后設置判斷步驟，可檢驗計算結果。若計算結果確定，則繼續運行。采用是否中斷程序改變電壓量，記錄主電路電流，保證程序穩定運行，以增加自動控制的可依靠因素。

3 基于單DSP自動控制的實現

3.1 電流采樣

通過軟件程序計算時，需要電流值作為輸入值。因此，使用電流傳感器收集電流，并使用PWM脈沖模塊生成電流，實現開關的穩定電源輸出。電流傳感器在測量電壓或者電流時，電流反應信號較強，各電路間互不干涉，精準度高，線性度好，適用于任何波形測量，使用范圍更廣[3]。

由于電流感應器要求輸入的是0～5 V的單極信號，需在輸入前將輸出的電流信號改為電壓信號，再通過IPM輸入到DSP。設定電動機的最大電流為6.5 A，當I=6.5 A時，對應的電壓值輸入為5 V；當I=-6.5 A時，對應的電壓值輸入為0 V；保證有正負極性的雙電流信號轉換為單信號輸入DSP。

3.2 速度的檢測

檢測速度方法一般分為D法和G法兩種，分別對應低速和高速兩種情況。實驗中的PWM模塊每轉可產生1 224個脈沖，通過DPS計算得到4 269個脈沖。在固定時間的情況下，檢測到的周期是400 μs，可直接采取G法測速。通過整流器使脈沖上下趨向均衡，平緩波動值，達到雙倍頻數，計算結果精準度更高。

3.3 數據格式

為提高計算精準度，并綜合考慮系統的穩定性、優化性及準確性等因素，選擇非定點式DSP中的TM205型號作為主計算設備。在提高精準度方面，還采取了3種集中方法。

（1）使用交流感應電動機的標準模型。所有變量都基于標準值，所有數值維持在標準范圍內，偏差變小，可提高DSP計算精度。

（2）采用12 W格式表示操作數。由于數據范圍較大且各個模塊中涉及的變量是非定點，為使計算結果在可預測的較小范圍內且不失精度，采用12 W格式的非定點數表示。這種格式不僅可表示穩定變量，而且可表示動態變量。

（3）所有步驟都按照既定的硬件設施和軟件設置順序。一旦發生故障，故障檢測器會檢測并請求主機進行判斷，具體如表1所示。

表1 故障記錄表

上傳故障代碼時，以周期性上傳為標準上傳方式，以第一次上傳的時間為參考時間，不重復上傳。故障狀態激活后，立即采取相應的措施并傳輸報告。報告中應包括故障級別和采取措施，以便后期記錄、故障排除及系統優化。

3.4 計算模塊

逆變器需符合兩種情況。第一種是在某一時刻有兩個開關一直處于打開狀態，剩下的兩個開關必須關閉；第二種是上下線路不能同時導通，此時4個電極管有6種開關組合——K1（001）、K2（010）、K3（100）、K4（101）、K5（110）、K6（011）。計算任何情況的電動機電壓量都通過相鄰變量下的基本變量進行預算：

其中，p0=px-p1-p2是零作用時間；px=1/HV，H是PWM的波動值，V是電壓頻率；U是電動機電壓量；p1和p2是非零作用時間。

當電流感應器給出兩個固定變量時，DSP計算模塊將完成3個步驟：

（1）確定電流感應器給出的兩個變量所在區域；

（2）快速計算相鄰變量下兩個基礎變量所需時間；

（3）接受電流信號，輸出數字端口。

當H=4.18、V=5、p1=0.3、p2=0.5時，式（1）運算結果為550，計算機模擬結果也是550。為確保數據單一性，采取多組數據進行試驗，結果基本吻合，說明自動控制下程序的準確性較高，對比情況具體如表2所示。

表2 技術方法比較圖

由表2可知，本文技術的數值輸出準確率高達99.9%，傳統技術只有80%；本文技術的故障出現率只有15%，傳統技術為30%。可見，基于單DSP的交流感應電動機的自動控制技術具有可行性。

4 結 論

通過觀察發現，單DSP性能不斷提高，應用成本不斷降低。在交流感應電動機中采用單DSP成為一種未來趨勢，其強大、高速的運算功能是其他處理器無法匹敵的。基于單DSP設計的硬件設施和軟件程序，實現了電動機自動控制的高準確率和低故障率，推動了交流感應電動機的發展，值得繼續研究和推廣。