水泥包装机主轴变频调速系统研究

胡学芝，刘笑平

(湖北理工学院电气与电子信息工程学院，湖北黄石435003)

随着城乡建设步伐的加快，国家在基础设施方面投资的增加，水泥的需求量日益增大，对水泥包装的要求，尤其是对计量精度和包装环境的要求越来越高。水泥包装工艺和包装设备的更新和改造是提高水泥行业自动化程度的关键所在，水泥包装机主轴采用变频器调速以适应工人工作所要求的转速和节能降耗。基于DSP 的水泥包装机用交流电机矢量控制系统的研制，是电机高性能交流变频调速的新技术之一。本文以DSP 为控制核心，以智能功率模块作为主电路，采用模糊PI 控制算法，开发了用于水泥包装机主轴的交流电机矢量控制变频调速系统。详细阐述了系统的控制原理、硬件组成、软件设计，并进行了系统实验，实验结果表明该硬件电路的可靠性高、抗干扰能力强，系统具有良好的动、静态性能，在水泥包装机中取得了较好的应用效果。

1 矢量控制原理

矢量控制调速系统如图1所示。本系统采用转子磁场定向控制，在理想条件下，列出系统在A，B，C 坐标系下的方程，经过坐标变换，变换为M-T 坐标系下的数学模型，使M-T 坐标系与转子磁链同步旋转，并使M 轴沿着转子磁链矢量方向，T 轴垂直于磁链矢量方向，则转子磁链与转矩分别由定子电流的励磁分量im和转矩分量it独立控制，并在转子磁链幅值保持恒定时，系统实现转子磁链和转矩的解耦控制［1］。系统由控制环节、检测环节和三相逆变环节组成。控制环节包括速度环和电流环调节器，分别采用PI调节器。检测环节包括三相电流的检测和电机转速的检测，逆变模块是采用SVPWM 算法将直流电变换成三相交流电［2］。

图1 矢量控制调速系统框图

2 系统的总体结构和硬件组成

由于系统控制过程中运算量大，实时性要求高，控制中不仅要进行Clarke 变换、Park 变换及其逆变换，而且还要进行转速环、电流环的PI 调节及SVPWM 算法运算，因此本系统选用DSP 作为主控芯片，主电路采用IPM 模块。控制系统硬件结构如图2所示，系统采用转速外环、电流内环的双闭环模式，外环转速环采用模糊PI 调节器，内环电流环采用PI 调节模式，使系统达到更好的控制效果。

图2 控制系统硬件结构框图

2.1 运算控制单元

本系统以TMS320F28335 作为核心控制芯片，它是TI 公司最新推出的32 位浮点DSP控制器，具有150 MHz 的高速处理能力，具备32 位浮点处理单元，有多达18 路的PWM 输出，其中有6 路为TI 特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，能灵活配置死区时间，6 个DMA 通道支持ADC、McBSP 和EMIF，12 位16通道ADC，其精度和可靠性较TMS320F2812有较大的提高;TMS320F28335 增加了单精度浮点运算单元(FPU)和高精度PWM，且Flash增加了一倍(256 k×16 Bit)，增加了一个CAN通讯模块，一个SCI 接口和一个SPI 接口;它采用内部1.9 V 供电，外部3.3 V 供电，因而功耗大大降低。总之其特点是精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、数据以及程序存储量大、A/D 转换更精确快速等，是用于电机控制的理想芯片。

2.2 功率变换模块

系统主电路采用交-直-交电压型变压变频电路，主电路分为不控整流和逆变2 部分，逆变部分选用了三菱智能 IPM 模块PM200CVA060 作为逆变器，该模块将功率开关IGBT 和门极驱动电路集成在一起，它包含了6 个IGBT、6 个续流二极管、栅极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路，当出现过热、过流、短路和欠压等故障时，输出故障信号至DSP 的PDPINT 中断口(低电平有效)，DSP 立即作出相应的中断处理，封锁PWM 输出并停止运行。应用时只需在IPM 控制端口和PWM 信号之间加入光电隔离电路即可。应用IPM 模块后使整个电路实现简单，并且可靠性得到了有效提高。

2.3 信号检测

信号的检测主要是转速和电流的检测。在本系统中转速的检测采用2500 线的增量式光电编码器进行检测，将所检测到的2 路正交脉冲信号接入TMS320F28335 的正交编码脉冲输入单元(EQEP)，DSP 对脉冲前后沿计数，并进行4 倍频后由定时器对脉冲进行计数，并由M/T 算法得到当前电机转子的转速。衡量光电编码器的性能指标之一是分辨率，对增量式编码器而言，常用每转输出的脉冲数表示，现已有20～30 000 Pr 等各种分辨率。本系统中DSP 对光电编码器输入的信号4 倍频后可达到每转10 000 次计数，检测精度高。

与TMS320F2812 相比，TMS320F28335 能提供更准确的采样基准，并能内部纠正偏置误差。由于对电机定子电流的检测只需检测两相电流，本系统采用高精度的LAH25-NP 型霍尔电流传感器测量定子电流，其供电电压为15V。由于TMS320F28335 的ADC 模块的输入电压范围是0～3 V，因此应将经电流霍尔检测到的电流信号调整为0～3 V 范围的电压信号后再接入DSP 的A/D 采样端口，定子电流检测电路如图3所示。

图3 定子电流检测电路

3 SVPWM 调制方法及实现

本控制系统采用空间电压矢量调制方式生成逆变器开关信号，电机的相电压由三相逆变器桥臂上下功率管开关状态决定，而逆变器共有8 种开关状态，形成8 个基本电压空间矢量，其中6 个是幅值为2Ud/3、相位依次相差60o的非零矢量，2 个零矢量。空间矢量关系图如图4所示，8 个矢量分别是100，110，010，011，001，101，000，111，基本电压矢量均匀分布在复平面上，形成正六边形电压空间矢量轨迹，为了使正多边形能进一步逼近电压圆，可利用基本电压矢量进行线性组合来得到新的电压矢量，以形成边数足够多的电压多边形［3-4］。由图4 可知，以Ⅰ扇区为例，任意扇区要合成参考电压矢量Uref，可由扇区两边基本矢量和零电压矢量通过平行四边形法则合成，设PWM 周期为T，t1、t2、t0、t7分别为相U4、U6、U0、U7作用的时间，则有如下矢量关系:

根据平形四边形关系，得:

式中Udc为直流母线电压。

图4 空间矢量关系图

应用DSP 产生SVPWM 波时一般采用矢量合成式SVPWM 法，根据上式的计算值确定矢量作用时间，具体步骤为:首先判断参考电压矢量所在的扇区，然后根据式(3)～(5)计算出各电压矢量作用时间，最后根据前面计算的各矢量作用时间，确定空间矢量序列生成SVPWM 波。在实现中为了降低开关损耗，每次从一种开关状态切换到另一种开关状态时保证只有一个开关动作［5］。本系统采用的是7 段式电压空间矢量PWM 波形，它们是3 段零矢量和4 段相邻的2 个非零矢量，3 段零矢量分别位于PWM 波的开始、中间和结尾。以第Ⅰ扇区为例，每个PWM 波的零矢量和非零矢量施加的顺序，以及对应的时间如图5所示。

图5 PWM 波形顺序

在TMS320F28335 中是使用EPWM 模块产生PWM 信号输出给开关管的驱动电路，EPWM使用软件生成SVPWM 信号很方便。本例在EPWM 的设置中，选用CAPA 设置触发时刻和触发信号占空比，TBPRD 设置开关频率，CMPCTL 设置计数模式。通过DBFED 和DBRED 设置死区单元，避免了上下开关管直通［6］。

4 系统软件设计

系统的软件主要包括主程序与中断控制子程序，其中DSP 主程序模块主要完成对系统和子程序模块的初始化，如芯片的初始化、变量的定义以及初始化，各种特殊功能模块的初始化;如输入输出口、时间管理器、系统的启动、停机的控制、AD 转换的初始化等。主程序流程图如图6所示。中断程序是整个控制系统的核心，它主要完成电压、电流的采样及AD转换，速度检测与计算，电流环和速度环的数字PI 调节子程序，Park 变换和逆变换、Clarke变换、磁链估计、SVPWM 信号生成及对硬件的软件保护等，系统矢量控制程序在中断中完成。中断程序流程图如图7所示，速度PI 调节流程图如图8所示。

图6 主程序流程图

图7 中断程序流程图

图8 速度PI 调节流程图

5 实验结果及结论

实验采用的参数如下:电机额定功率为4 kW，额定转速1 440 r/min，额定电压为380 V，额定电流为8.8 A，额定频率为50 Hz。PWM1 与PWM4 的互补波形如图9所示，死区时间不大于2.5 μs。启动时定子电流波形如图10所示(定子电流:横轴为250 ms/格，纵轴为2 A/格;转速:横轴为250 ms/格，纵轴为400 r/min/格)，启动时间大约需1.25 s，启动电流比稳态时约大2 倍。50 Hz 时定子稳态时的电流波形如图11所示，由图11 可知其谐波小于0.6%，波形平稳，调速性能理想。

图9 PWM1 与PWM4 的互补波形

图10 启动时定子电流波形

图11 稳态时定子电流及其谐波分析

本文研究的是基于高性能的DSP 芯片的水泥包装机主轴调速系统，系统采用矢量控制模式，由于运用TMS320F28335 芯片的片上资源，完成了本系统的数据处理、矢量控制和SVPWM波形生成，它有效地解决了实际矢量控制实现时运算量大而引起的实时性问题，获得了越来越多的应用。本方案硬件结构简单，实验表明系统稳定可靠、故障保护快、动态性能好、控制精度高，应用于水泥包装机主轴调速系统中性能良好，取得了良好的经济效益，为水泥包装机主轴调速系统更新换代提供了好的途径。

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