肖乾湘

摘 要 基于DSP電機調(diào)速系統(tǒng)中，電機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩的波動小，超調(diào)量小，動態(tài)性能和靜態(tài)性穩(wěn)定。該仿真是對該調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計思路的驗證，結(jié)果證明設(shè)計思路是可行的，在實際系統(tǒng)設(shè)計中可以以該仿真為依據(jù)，進行硬件電路的搭建和控制程序的流程設(shè)計。

關(guān)鍵詞 DSP 調(diào)速系統(tǒng) 電路 仿真

中圖分類號：TM3 文獻標識碼：A

1電機調(diào)速系統(tǒng)簡介

1.1電機生產(chǎn)中的分類

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

1.2電機方式的分類

從調(diào)速的方式來看電機調(diào)速分為調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、變頻調(diào)速、電磁調(diào)速。

（1）調(diào)壓調(diào)速顧名思義，就是變動電動機的定子電壓實現(xiàn)調(diào)速的目的。調(diào)壓調(diào)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(diào)壓調(diào)速方式的優(yōu)點在于調(diào)速過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差能量再次循環(huán)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(zhuǎn)矩一般用于單象限運行的負載。

（2）變極調(diào)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(shù)，進而逐步有級的變化同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速有級地調(diào)速。變極調(diào)速的電動機產(chǎn)品比較定型，例如單繞組多速電動機。變速調(diào)速電動機的優(yōu)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(diào)壓或者電磁轉(zhuǎn)差離合器組合使得效率提高。

（3）變頻調(diào)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(xù)可調(diào)來改變它的同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電動機調(diào)速的方法。變頻電機是最節(jié)能高效的電機，其優(yōu)點在于無附加轉(zhuǎn)差損耗，效率高，調(diào)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(jié)電保護電機的作用。缺點是技術(shù)相對復(fù)雜，成本較高。

（4）電磁調(diào)速就是通過電磁轉(zhuǎn)差離合器來實現(xiàn)調(diào)速的目的。電磁調(diào)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(diào)速設(shè)備。這種電動機采用組合式結(jié)構(gòu)，由拖動電動機、電磁轉(zhuǎn)差離合器和測速發(fā)電機等組成，測速發(fā)電機是作為轉(zhuǎn)速反饋信號源供控作用。這種電動機的無極調(diào)速是通過電磁轉(zhuǎn)差離合器來實現(xiàn)的。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子繞組，可以使定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場相對靜止，產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)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(tǒng)中三相對稱繞組中通入三相對稱正弦電流，就會產(chǎn)生幅值恒定的旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速等于相電流的角頻率。將轉(zhuǎn)子繞組嵌入轉(zhuǎn)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(chǎn)生正弦分布且幅值恒定的勵磁磁場，之后它隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。

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

同步電機中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場在d-q坐標系中的空間相位，則電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的方向應(yīng)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(zhuǎn)矩更加容易控制，并且直流調(diào)速系統(tǒng)具有起、制動性能較好，調(diào)速范圍廣，靜差小及穩(wěn)定性能好等優(yōu)點，因此作為調(diào)速系統(tǒng)的首選機型。隨著工業(yè)的發(fā)展，由于直流電動機內(nèi)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(shè)計起來極其復(fù)雜，而復(fù)雜的設(shè)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(shè)計使用使得人們技術(shù)突破造成了瓶頸。

隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，電力電子技術(shù)的突破以及微機控制的出現(xiàn)，交流電機的速度控制在理論上得到驗證，在實際應(yīng)用中得到了技術(shù)上的支持，控制技術(shù)越來越成熟，調(diào)速性能已經(jīng)能和直流電機相媲美，應(yīng)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(yōu)勢：結(jié)構(gòu)比較簡單、制造成本比較低、維護起來也較為經(jīng)濟，交流調(diào)速系統(tǒng)的客觀發(fā)展趨勢已經(jīng)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(dāng)今應(yīng)用最廣泛的交流電機之一，因此對它的控制策略與如何節(jié)約能源相結(jié)合的研究對基礎(chǔ)工業(yè)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(nèi)容

這次主要的研究課題就是基于TMS320LF2407A電機數(shù)字控制DSP芯片的空間矢量模糊調(diào)速系統(tǒng)的研究。本次研究我們運用了磁場定向技術(shù)、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(tǒng)動、靜態(tài)性能好，穩(wěn)定性高、魯棒性強、抗干擾能力強等等特點。

（1）矢量控制技術(shù)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(tài)調(diào)速性能，研究人員于上世紀70年代提出了基于轉(zhuǎn)子磁場定向技術(shù)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(zhuǎn)子磁場定向的兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下，這樣，定子電流就被分解成了勵磁電流和轉(zhuǎn)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(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩的控制。實質(zhì)上而言，矢量控制技術(shù)所包含的主要內(nèi)容是電機等效電路，磁鏈方程，轉(zhuǎn)矩方程以及坐標變換。

（2）SVPWM算法

空間矢量脈寬調(diào) （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(zhuǎn)磁場為思路而產(chǎn)生的電機控制算法。SVPWM的總體構(gòu)想是在一個控制系統(tǒng)中把逆變器和電機當(dāng)做一個整體來考慮，因此對按照這種設(shè)想來建立的數(shù)學(xué)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(tǒng)中輸出電壓和電流中產(chǎn)生的諧波少，并且從節(jié)能方面來考慮，相比起傳統(tǒng)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(xué)者L.A.zadeh首先提出，經(jīng)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(guān)定理。到了1974年，英國學(xué)者E.H.Mamdani首先嘗試利用模糊控制語句構(gòu)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(chuàng)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(chǔ)的一種計算機或者微機數(shù)字控制，在實質(zhì)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(tǒng)化的理論基礎(chǔ)，同時還具有大量的實際應(yīng)用。模糊控制理論發(fā)展至今已經(jīng)40多年了，不管是在理論上還是在技術(shù)上都有了飛速發(fā)展，因此它成為了自動控制領(lǐng)域最有成果的分支之一。

2.2.3 三相異步電機的DSP結(jié)構(gòu)

用霍爾器件測量逆變器輸出的定子電流iA、iB經(jīng)過DSP的A/D轉(zhuǎn)換器變化為數(shù)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(zhuǎn)坐標系中的各個直流分量作為電流環(huán)的負反饋量。由于異步電動機的轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速不同步，所以用電流一磁鏈位置轉(zhuǎn)換模塊求出轉(zhuǎn)子磁鏈位置，用于參與Park變換和逆變換的計算。給定轉(zhuǎn)速n`與轉(zhuǎn)速反饋量n的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)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(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出M、T旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成 、 直角坐標系的定子相電壓矢量的分量V *和V *。當(dāng)定子相電壓矢量的分量V *、V *和其所在的扇區(qū)數(shù)已知時，就可以利用電壓空問矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)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(xiàn)三相異步電動機全數(shù)字實時控制。

2.2.4 三相異步電動機的軟件設(shè)計

我們用TM320LF240DSP實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制算法來設(shè)計，這個系統(tǒng)是包括系統(tǒng)主程序和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成的。主程序主要完成DSP芯片的控制系統(tǒng)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(wù)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(tǒng)對實時性的要求。

2.2.5 系統(tǒng)的仿真

轉(zhuǎn)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(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小及抗干擾能力強。

綜上所述，以上結(jié)果可以看到該電機速度控制系統(tǒng)中電機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩的波動小，超調(diào)量小，動態(tài)性能和靜態(tài)性穩(wěn)定。該仿真是對該調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計思路的驗證，結(jié)果證明設(shè)計思路是可行的，在實際系統(tǒng)設(shè)計中可以以該仿真為依據(jù)，進行硬件電路的搭建和控制程序的流程設(shè)計。

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