DSP在三相交流异步电动机调速系统中的应用

季文彪，王步来，高 鹏，高 响

（上海海事大学电气工程学院，上海 201306）

0 引言

交流异步电机的调速方法一般包括调压调频法、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制技术。矢量控制和直接转矩控制是高性能变频调速领域的主流方法［1］。随着工业生产对调速性能要求的提高，尤其一些需要实时速度跟踪和速度跟踪精度要求高的场合，多采用矢量控制调速。

TMS320F2812是TI公司专门为了控制电机而研发出的信号处理器(DSP)。它在速度计算和电压电流采样方面都有相应的模块［2］。文献［3］介绍了以DSP为核心的控制系统的开发，基于矢量控制理论，实时检测电机的定子电流，用光电编码器检测并计算出电流，通过DSP的各个模块检测出数据并反馈到DSP中来。在实时调试中还可以对程序特定参数进行修改，以观察系统的稳定性和快速响应特性，同时可以测量电机的电压、电流、频率、速度等参数［3］。本文以DSP控制的220 V/50 Hz/1.5 kW三相交流异步伺服电机为例，介绍其控制系统的实现。

1 控制系统的硬件设计

基于F2812DSP的矢量控制通过算法把励磁和转矩解耦控制，其核心是磁链检测［4］，整个硬件框图如图1。硬件电路大致分成图中所示几个模块，下面简述关键的两个电机实时量的检测。

图1 控制系统硬件框架

1.1 电流检测

霍尔电流检测模块使用ACS721芯片，检测电机的两相电流，把检测出的数值通过硬件调理电路控制到0～3 V，之后输入到DSP的ADC的相应管脚，这里DSP程序控制字设置AD0和AD1作为数据的输入口。电流检测电路如图2。

1.2 转速检测

图2 电流检测

转速检测使用增量式光电编码器，本实验室采用的是光洋电子TRD-2T/2TH系列编码器，该编码器转一圈产生1024个脉冲，通过检测脉冲的上升沿下降沿计算转速，光电编码器得到的脉冲波形通过DS3486M正交线性接受器调理波形，最后输出和转速、转向以及原点位置及相对角位移相关的数字信号A+，B+，Z+。转速检测部分硬件电路如图3。

图3 转速检测

2 矢量控制系统的软件实现

图4给出了矢量系统编程的设计框图，根据该模块的形式进行模块化编程。

图4 软件框图

以下重点讨论电机转速计算和电流采样的程序设计。

2.1 电流采样程序设计

TMS320F2812的ADC包含控制寄存器，最大转换通道寄存器、序列状态寄存器、状态标志寄存器、通道选择序列控制寄存器以及结果寄存器和结果缓冲寄存器。该型号DSP有16个采样通道，具有12位的ADC内核，通过各个相关控制寄存器的设置可以设定采样方式，在程序的开始应先对其中一些寄存器进行初始化［5］。ADC的部分初始化程序如下:

2.2 转速计算程序设计

转速测量一般有M法、T法和M/T法。虽然M/T法最复杂，但它在进行转速测量时可以充分利用片上丰富的资源，再加上DSP强大的数据处理能力，使得M/T法测速的精度无论在低速和高速状态下都很高。该测速方法用到捕获功能模块、正交编码接口模块。图5为测速流程图。

图5 软件流程

测速采用两个计数器工作，T2为QEP输入的4倍脉冲计数，T1为EVA高速计数时钟。M1通过T1得到，M2通过T2得到，配合抓捕功能，精确得到在两个捕获时间段里的脉冲数，最后求得转速。下面给出部分转速初始化程序和计算程序。

3 实验结果

本系统所用实验平台的控制电机参数:额定功率1.5 kW，额定电流 6.4 A，额定电压 220 V，额定频率50 Hz，极对数np=2，通过改变给定速度和改变负载转矩看到转速的跟踪变化和稳定。图6、图7、图8是实验中得到的SVPWM算法T1、T2波形，一相电流波形和此时的转速。

由图7可知，一相电流是正弦波，在给定功率为0.56 kW情况下的同步转速是840 RPM，图8是加转矩后的速度，在慢慢减小负载转矩后，转速在实际过程中渐渐接近840RPM。实验证明了控制系统的有效性。

4 结束语

图6 SVPWM波形

图7 一相电流波形

图8 电机转速

本文通过CCS3.3模块化编程把控制要求输入DSP中。DSP仿真板、功率驱动板、异步电机共同组成了电机的控制系统。该控制系统结构简单，因为采用模块化编程，控制算法只要稍加修改，便可以用于其他的控制算法研究，具有一定的通用性。

［1］魏 新，陈大跃，赵春宇.交流电机调速实验系统的PC端监控程序设计［J］.计算机工程，2006，32(8):247.

［2］冬 雷.DSP原理及电机控制系统应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［3］王晓明，王 玲.电动机的DSP控制以及TI公司DSP应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004.

［4］刘 燕，邵晓强.异步电机矢量控制系统转子磁链间接检测方法［J］.微电机，2001，34(2):27-29.

［5］谢青红.TMS 320 F28x DSP原理及其在运动控制系统的应用［M］.北京:电子工业出版社，2009.