三相异步电动机变频调速与仿真

郭刚花

摘 要：该文从交流电机的变频调速技术入手来达到电机节能运行的目的，尝试设计出了一种以TMS320LF2407A DSP芯片为控制核心，（IPM）PM25RSB-120为主电路，并采用矢量控制理论的交流电机变频调速系统。从仿真结果上看出这种控制思想能较为直观的对磁通和转矩进行控制进而达到调压、调速的目的。

关键词：数字信号处理器 智能功率模块 三相异步电动机 矢量控制

中图分类号：TM 343 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0118-02

在当今世界发展潮流中，能源问题愈加凸显，电能作为消耗最多也浪费最多的能源中的一种，长久以来，各国学者专家把如何高效利用电能减少浪费作为研究课题；随着我国国民经济的飞速发展，电机应用于国民经济各个领域，推行高效的节能的电机保证电网稳定和安全运行、电能高效利用已成为必然趋势。电机调速广泛存在于我们周围，其主要分类有直流电机和交流电机。直流电机好控制，因此用在很多场合。电力电子控制器件的发展、各种控制方法在应用上的逐步成熟，未来交流电机应用将远大于直流电机。

1 调速系统硬件电路的设计

1.1 硬件概述

基于TMS320LF2407A的总体硬件结构图如图1所示。

主电路选择交-直-交电压型变频器。整流桥采用二极管三相整流全桥，逆变桥采用IPM作为功率器件，DC-link环节利用大电容滤波。控制电路共两大部分，TMS320LF2407A DSP核心电路和其外部扩展电路。

1.2 逆变电路模块设计

考虑到2～2.5倍的安全系数，可取耐压值为1 200 V。考虑 2～2.5 倍的安全裕量，通态峰值电流取25 A。因此，选用PM25RSB-120型IPM。

1.3 泵升电压限制电路设计

由于电压型变频器很难实现再生制动，可用电阻Rb消耗电机制动过程中产生能量。电机制动时，整流器与逆变器都工作在整流状态，此时电机发电，电容双向充电，DC环节的直流电压（泵升电压）就会变大，对此电压不限制，就可能击穿IGBT。为此要给电动机提供一条降压路径。IPM 自带制动单元，Br、B为其信号出入后， DSP通过图1中的两个10 k的电阻 R1、 R2检测电容器端电压，测得电压高于正常直流电压一定倍数时，DSP 的 I/0 口发出信号，并经过光电隔离触发IGBT7，使其导通，从而使电容器储存的能量消耗在制动电阻上。

1.4 转速检测电路设计

光电式旋转编码器是测量角速度器件，在跟随电机转动过程中，通过光栅对光照通道的开放遮蔽获得频率与转速成正比的方波脉冲。处理后都方波脉冲进入DSP的QEP1、QEP2引脚并取时间段计算输入脉冲个数-M法测速。在这里我们采用OVW2-2048-2MD型旋转编码器，它由+5V供电，有A相、B相和Z相。其中A、B相位相差90度，用于测速；每转一圈输出2 048个脉冲；Z相用于基准点定位。

1.5 电流检测电路设计

该文三相定子的电流、中间环节的直流电压都可以通过电流检测来实现。选用工作电压为±15V的CHB5-P型霍尔电流传感器来检测电流，它能够测量±10 A之间的电流。检测定子电流时，只需2个并行的信号通道来检测定子的两相输入电流。由于DSP I/O口的基准电压是3.3 V，需要将霍尔电流传感器检测到的交流量转化成为0～3.3 V的直流量。 双运算放大器LM358、电阻R27、R28、R30 LM366组成电平偏移放大电路。

2 系统软件设计

该文采用TMS320LF2407A DSP 芯片为控制核心。 系统软件设计分为主程序和中断服务子程序两个模块，矢量控制的DSP实现如图2所示。

通过电流传感器测量IPM输出的定子A、B两相电流，经DSP数字化转换后由三相电流矢量的关系得出C相电流，经过Clarke与Park变换后，三相电流变成两相同步旋转坐标下的直流分量ist，ism作为电流环的负反馈。电机转速则通过光电编码器经由DSP转换成转速。给定转速与转速反馈量的差值经过ASR，其输出作用于T轴的电流转矩分量ist并与给定转速n得出转矩偏差，经过转矩调节器得到。另由转子磁通给定值与磁链观测器的输出经由磁链调节器得出。和再经过Park逆变换与2/3变换转化为成坐标系下的定子三相相电流、和；最后通过电流滞环型PWM变频器控制PWM波形从而控制电机输出电流。

3 系统的MATLAB建模和仿真

该文主要运用MATLAB中的SIMULINK依据图4-1对系统进行了完整的模型搭建。对系统中的电流滞环跟踪控制器（CHB）、 转速调节器（ASR）、磁链调节器（AR）和转矩调节器（ATE）以及电流和转子磁链观测进行了搭建，做出了波形仿真。

3.1 电流滞环跟踪控制器模块

由于Relay模块会使仿真速度变慢，为加快仿真速度，采用数据转换模块Conversion以保持输入输出数据类型一致。

3.2 电流变换及磁链观测模块

从abc到qd0转换时，幅值相差倍，需在abc-dq0后加一个参数为的Gain模块；此外还要用Terminator模块把dq0的0轴封锁。

3.3 系统整体模型搭建及仿真

输入电机参数如下：UN=380 V，PN=1000W，IN=3.66 A，fN=50Hz，rN=1430r/min，Rs=0.435Ω，L1s=0.002H，Rr=0.816Ω，L1r=0.002 H，Lm=0.069 H，J=1.9 kg/m2，二对极。

（3）

式中，为0dq坐标下定、转子绕组自感，为转子自感绕组，为时间常数，总体系统模型如图3所示。

电机空载启动，给定值为1，在0.75S时给定一个初值为100，终值为300的阶跃信号直观的观察三相定子电流变化情况和系统的速度与转矩输出波形，如图4、5所示。

4 结语

该文设计了一个以DSP为控制核心的交流电机变频调速矢量控制系统，较为系统的给出了三相异步电机变频调速的基础理论知识，并从理论框架中提出一种具有可行性的方法作为设计主体思路。最后在一系列的模块设计后完成后搭建出了SIMULINK仿真模型，结果表明了系统的可行性。

参考文献

[1] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 唐介.电机与拖动[M].北京：高等教育出版社，2007.

[3] 胡寿松.自动控制原理基础教程[M].北京：科学出版社，2013.

[4] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.

[5] 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[6] 王志新，罗文广.电机控制技术[M]. 北京：机械工业出版社，2010.