基于数字信号处理器的电机变频调速控制系统

孟祥吉甘克宇

（1.大庆钻探工程公司钻井工程服务公司，吉林 松原 138000， 2.大庆钻探工程公司钻井四公司 吉林 松原 138000）

交流电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，采用传统的控制策略对其进行控制时，往往造成调速系统的动态性能差，调节器参数很难准确设计等诸多弊端。许多专家对此进行潜心研究，2O世纪7O年代德国西门子公司的F.Blasschke等人提出感应电机磁场定向的控制原理，在以后的实践中不断改进，逐渐形成了矢量控制变压变频调速理论。随着电子器件的快速发展，特别是数字信号处理器的诞生，该理论逐步进入到实用化阶段，现已成为高性能变频调速系统的首选方案，与传统的控制方法相比，具有控制精度高、调速性能优良等优点。矢量控制的方式主要有2种：转速闭环、磁通开环，转速、磁通都闭环。本系统以TI公司的电机控制专用芯片TMS32OF24O为核心，采用了转速和磁通都闭环的矢量控制策略，电路结构简单，实现方便。实验结果表明，系统的软硬件设计合理，控制精度高，实现了恒转矩控制且具有很宽的调速范围。

本系统采用了VVVF的变频控制方法，在电机驱动中，广泛应用了PWM控制技术，该技术就是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成脉冲列，并通过控制脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压、变频及控制和消除谐波的目的。

1 系统软件实现

在软件实现时，SVPWM波形的实时调制需要给定参考两相静止坐标系上的两个正交电压分量 vSαref和 vSβref，直流母线电压 VDC，以及PWM周期T。

（1）判断矢量 vSref所处的扇区通过分析 vSαref／vSβref值与 vSαref和 vSβref的关系，可得到如下规律：

则扇区SECTOR＝A＋2B＋4C

（2）计算逆变器相邻两电压空间矢量工作导通时间T1、T2，为方便说明，定义中间变量X、Y、Z

在线性工作区对于不同扇区对应的工作周期T1、T2按表1取值：

在非线性区饱和情况下的计算：

其中PWMPRD为周期寄存器的值，在控制程序中该值为1000。

（3）计算三个所需的工作周期，表示如下：

根据扇区，把正确工作周期（TX）分配给电机的正确相，即正确的CMPRX。下表2给出了确定方法。

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2 实验结果

本文将控制器输出通过IGBT模块直接驱动电机。该电机为三相交流异步电机（380 V，30kW），定子线圈采用星型接法，并带直流发电机110V，3kW作为负载，使用Tektronix记忆示波器TDS340 A（100 MHz），110的探头。DSP控制板输出PWM波形和滤波后的电压波形及带负载测得的电流波形如图2。

图2 控制器输出的PWM波形

结论

本系统对交流电机的变频调速控制，开关频率高，谐波分量少。控制过程中每执行一次采样调用一次中断，在中断服务程序中完成信号采样、键盘扫描和全部的计算等任务，在程序等待循环的时间内执行显示功能，由于指令周期设为50ns，使整个程序完成的时间不到40μs，这样大大提高了运算效率。与其它单片机，例如51系列，96系列等比较，在实现SVPWM控制时，软件编写简单，每周期内中断次数少，实时性更好，而CPU的负担也不到40%，这样CPU可以实现更复杂、功能更全的控制。

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