底群

(西安职业技术学院机电工程系，陕西西安　710032)



基于DSP三相交流电动机矢量控制的软件设计

底群

(西安职业技术学院机电工程系，陕西西安710032)

摘要:介绍了全数字式三相交流电动机矢量控制的软件设计。在软件设计中完成了主程序和PWM时基、A/D转换及故障中断子程序的设计，在PWM时基中断子程序设计中重点叙述了PWM矢量控制实现的具体方法。电机启动时采用SVPWM开环控制运行，系统进入闭环后采样电机定子电流，进行Clarke变换和Park变换。结果表明，三相交流电动机启动快，调速范围宽，精度高。

关键词:数字信号处理器;三相交流电动机;矢量控制

现代电力电子技术以及计算机控制技术的迅速发展，推动了电气传动技术的革新。近几年，单片机数字控制技术逐渐取代模拟控制技术，使交流电机变频调速以其效率高、功率因数大及调速优和启动性能好等优点，成为国内外公认的最有发展前途的调速方式之一［1］。

1　矢量控制的程序设计

软件由主程序、中断服务子程序组成。主程序实现芯片的初始化、各个子模块的初始化等功能。中断服务子程序包括A/D转换、PWM(脉冲宽度调制)时基、故障和错误陷阱中断等。

在程序设计中，对需要用到的一些参数作如下说明:软件设定一个载波频率为10～20kHz，这个频率段正弦逼近程度是最好的，而且在IPM开关频率之内。该控制器的MCPWM模块有3对PWM口，其中H为高端接IGBT(绝缘栅双极晶体管)的上桥臂，L为低端接IGBT的下桥臂，采用中心对齐模式发出PWM控制信号，该系统将在每一个周期里产生2个线－线脉冲，有效开关频率加倍，纹波电流减小，但并没有增加功率器件的开关损耗。通过死区寄存器DTCON1把死区时间定为2μs。Fcy(指令时钟) = Fosc(晶振频率) /4，使用XT振荡器4倍频PLL(锁相环)，所以4倍频PLL后，Fcy= Fosc，这样可以提高分辨率［2］。

1.1主程序设计

主程序的作用是完成W寄存器、堆栈、QEI及各变量的初始化。其框图如图1所示。

图1　矢量控制主程框图

1.2矢量控制的PWM时基中断子程序设计

PWM时基中断子程序框图如图2所示。

图2　PWM时基中断子程序框图

PWM矢量控制的具体实现办法:

1)每N (本文取24，可调节)个PWM周期计算一个电机速度。

2)启动方式采用SVPWM开环控制，运行M(本文取0～10 000，可调节。10 000个PWM周期=1s)个PWM周期(从启动起就开始检测电流值，每个PWM周期进行A/D转换，采样A，B相电流值)，进行Clarke变换和Park变换，计算转子磁链位置。

3)系统进入闭环后采样电流信号，进行Clarke变换和Park变换。进入闭环第一个PWM周期直接调节电机速度，以后每N个PWM周期调节一次电机速度，把启动的最后一个Uα(定子静止两相α电压分量)和Uβ(定子静止两相β电压分量)用Park变换成电流调节前一次的累积值，启动的最后一个T轴电流值作为速度PI前一次的累计值，每个PWM周期都计算转子角位置和调节电流，电流调节出来的以定子电流角频率ωS速度旋转的两相旋转坐标MT坐标系的M和T参考电压利用Park变换转换成Uα和Uβ。

电机启动时采用SVPWM开环控制。本文选用7段式电压空间矢量PWM波形。由3段零矢量和4段相邻的两个非零矢量组成，3段零矢量分别在PWM波的开头、中间和结尾，如图3所示。其中每个扇区Ux，Ux±60的选择顺序为第0扇区: Ux= U0，Ux±60= U60;在第1扇区: Ux= U120，Ux±60= U60;在第2扇区: Ux= U120，Ux±60= U180;在第3扇区: Ux= U240，Ux±60= U180;在第4扇区: Ux= U240，Ux±60= U300;在第5扇区: Ux= U0，Ux±60= U300。

利用平行四边形法则，不同的矢量组合可以合成新矢量。设相邻两个为U1和U2，零矢量为U0，合成新矢量为Uout，矢量作用时间分别是t1，t2，t0。TPWM是PWM脉冲周期。根据Uout，Ux和Ux±60投影到平面直角坐标系Oαβ中的公式:

图3　七段式SVPWM的PWM波形

推导得到计算公式:

在每个PWM周期中计算出下一个PWM周期的占空比寄存器的值，还要计算磁链位置，以免进入闭环后产生磁链误差，影响Park变换和逆变换的准确性。启动子程序框图如图4所示。

图4　启动运行子程序框图

闭环子程序用来完成矢量双闭环控制。矢量双闭环控制系统方案如图5所示。

图5　矢量双闭环控制系统方案

闭环子程序框图如图6所示，具体思路如下:

图6　闭环运行子程序框图

1)经过霍尔电流传感器测得逆变器输出的定子电流iA，iB，通过DSP(数字信号处理器)的A/D转换器转换成为数字量，利用式iC=－(iA+ iB)计算出iC。电流iA，iB，iC经过Clarke变换和Park变换成旋转坐标系中的直流分量iM，iT，这两个分量成为电流环的负反馈量。

2)电动机的机械转角位移利用4倍频的1 024线增量式编码器测量得出，并且将它转换为转速n 的PU值。转速n成为速度环的负反馈量。

3)异步电动机的转子磁链转速和转子机械转速是异步的，因此采用电流－磁链位置转换模块得出转子磁链位置，当电动机的转速n和定子电流M，T坐标系的分量iM，iT已知时，就可以求出转子磁链位置θ，来参与计算Park变换和逆变。

4)速度PI调节器给定转速nref与转速反馈量n的偏差，输出用于转矩控制的电流T轴参考分量iTref。电流PI调节器调整电流反馈量iT，iM与iTref和iMref，采用恒定磁场，设其值为0的偏差，分别输出M，T旋转坐标系的相电压UMref和UTref。UMref和 UTref再经过Park逆变换转换成为在α，β直角坐标系的定子相电压矢量的分量Uαref和Uβref。

5)当定子相电压矢量的分量Uαref，Uβref和它所在扇区数已知时，使用7段式电压空间矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器［3］。

1.3 A/D转换完成中断子程序设计

A/D转换完成中断子程序框图如图7所示。本文采用的DSP芯片拥有10位A/D转换模块，用来采样电流反馈值。A/D转换模块采用两路同时采样;参考电压为芯片内部0～5V; PWM特殊事件触发时保证A/D和PWM同周期;转换时钟周期设置为1个Tcy。

图7　A/D转换完成中断子程序框图

具体方法:把两只霍尔电流传感器的输出端连接到电压转化板，使其输出的电压值能被调整到芯片参考电压范围之内，然后把对应的电压转换板的两个输出端连接到A/D转换引脚。到采样时刻时从缓冲寄存器中读取电流采样值，完成A，B相的电流采样［4］。

1.4故障处理中断子程序设计

故障处理中断子程序框图如图8所示。故障处理是控制系统的重要组成部分。对于任何系统来说，都不可能一直稳定运行，在未知的某一时刻就会有想象不到的故障产生。如果故障未被处理后果可能不堪设想，所以故障检测必须时时进行。本文的故障主要是由IPM的过热、过压、过流、直通产生［5］。

图8　故障处理中断子程序框图

处理方法:驱动电源的IPM故障信号引脚接到开发板的FAULT引脚，当遇到故障的时候，IPM低电平输出10mA、宽度为1.8ms的脉冲信号。信号一产生立即停止PWM时基，使系统停止工作，同时点亮一盏LED小灯作为提示。否则循环输出故障信号容易损坏驱动电源模块。

2　系统测试

系统进入闭环后，获取采样电流，测量反馈转速，计算转角的位置，通过速度、电流的PI调节，利用SVPWM技术完成矢量的双闭环控制。当电机的实际速度值达到设定的速度值时，电机保持平稳运行，然后在数据空间记录编码器反馈的速度值，直到手动停止程序为止。

图9是矢量双闭环控制的电机速度波形，它是芯片记录的2 500个由编码器采集到的速度值。电机的速度在25个PWM周期(2.5ms)调节一次，启动运行时间大约为0.6s(可根据要求调整)。试验结果表明:电机速度上升时间大约在0.3s，峰值时间在0.8s左右，且超调量非常小，大约为0.1%，几乎无震荡;调整时间为0.84s左右;电机定子电流变化也较小，并且稳定后其波形接近正弦波形，矢量控制电机运行非常稳定［6］。需要说明的是，因编码器干扰等原因，电机的速度值存在2%以下的误差(电机转速为50～1 400r/min)。

从试验结果可以看出，本控制系统速度响应快，运行平稳，稳定时速度误差小，说明系统运行良好。

图9　矢量控制的电机速度波形图

3　结束语

本系统利用DSP实现三相交流电动机矢量控制。软件由主程序、中断服务子程序组成。在闭环系统中进行了实验测试，结果表明，电机启动快速，运行平稳，具有较宽的调速范围，精度较高，满足了对三相交流异步电动机的调速控制。采用矢量控制可以提升交流电机的调速性能，适用于静态性能要求高的应用系统，而且控制软件采用电流内环、速度外环的双闭环控制策略，模块化编程，便于日后的软件升级和修改。

参考文献:

［1］赵学举.基于DSP的SVPWM变频调速系统设计［J］.电气应用，2012(8) :78－81.

［2］李瑾.基于DSP的异步电动机SVPWM控制技术的实现［J］.矿山机械，2012(3) :100－105.

［3］张成，王心坚，李良璋，等.SVPWM的调制函数与谐波分析研究［J］.贵州大学学报:自然科学版，2012(6) :63－67.

［4］张传金，王志业.基于DSP28335的三电平SVPWM算法研究［J］.电力电子技术，2011(6) :67－69.

［5］杜志勇，王鲜芳.基于DSP的感应电动机SVPWM矢量控制调速系统［J］.电力电子技术，2007(9) :56－60.

［6］马良河，杨洁浩，叶建强.交流电机变频调速性能试验系统的研究［J］.电机与控制应用，2010(1) :75－77.

The software development of DSP three－phase AC motor based on vector control

DI Qun
(Department of Mechanical and Electrical Engineering，Xi＇an Vocational and Technical College，Shaanxi Xi＇an，710032，China)

Abstract:It introduces the software development of the full digital three phase AC motor vector control.The software system includes the main program，PWM time base，A/D conversion completion and fault interrupt subroutine.It shows the detail about PWM time base interrupt subroutine design.It uses SVPWM open－loop operation to start the motor，then conducts current sampling in the closed－loop process，and realizes the Clarke transformation and Park transformation.The results show that the three－phase AC motor starts faster in a wider range of rotational speed modulation with high precision as well.

Key words:DSP; three－phase AC motor; vector control

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.008

作者简介:底群(1977—)，男，陕西咸阳人，西安职业技术学院讲师，主要从事单片机应用的教学与研究工作。

收稿日期:2015－04－17

中图分类号:TM930.9

文献标志码:A

文章编号:2095－509X(2015) 06－0032－04