基于DSP的交流调速系统设计

王腾飞

(大同煤炭职业技术学院机电工程系，山西 大同 037000)

0 引言

现如今大功率电气传动领域广泛使用交流电机，从实际的角度来看，三相交流电机在调速方面上性能的优劣直接影响到生产的各个方面，往年以来的直流电机调速系统被广泛地应用于各类生产拖动系统，直流电机在传动环节的运行上由于换向器和电刷所存在的机械摩擦所造成的火花问题愈来愈凸显出来，进而导致了事故率的频发性以及维护工作负荷量的增加[1-3]。因而，较之于直流电机，三相交流电机成本低，维护简便以及不存在机械换向弊端、能适应恶劣工作场合、更适宜应用高电压及大电流的可关断电子器件等优良特点。因此，设计一种优良可靠的三相交流电机的交流调速系统是很有必要的。

1 矢量控制原理

三相交流电机矢量控制的原理是通过建立旋转坐标系实现系统励磁和转矩的非线性解耦，从而可等效成一台直流电动机并模仿直流调速的方法来控制交流电机。SVPWM能降低功率开关管的损耗和电机的转矩脉动，算法简单且容易实现[3,4]，其控制原理是通过实时检测三相交流电动机定子电流和转速的大小，并经过3 s/2 s和2 s/2 r变换将电流送到励磁电流输入端(内环)和将转速大小送到转速输入端(外环)，然后经过2 r/2 s变换和SVPWM触发IGBT产生三相交流控制电机。

2 桥式整流及逆变电路的设计

2.1 参数选定

本设计使用的电机额定参数分别为：PN=20 kW、UN=380V(Δ接法)、IN=15A、cosφN=0.9、nN=1 440 r/min、ηN=0.76、fN=50 Hz和λT=2.2。

2.2 整流与逆变电路的原理分析

针对使用分立元件搭建电路的复杂和不稳定性，本设计选取三菱公司的IPM模块PM100CSA120，它的额定工作电压/电流是1200V/100A，内部有IGBT逆变电路和欠压过载保护电路，PM100CSA120由DC输入口(P、N)、AC输出口(U、V、W)、U相供电和PWM输入及对应的IGBT欠压过载保护端(VUPC、VUP1、UP、UFO)、V相供电和PWM输入及对应的IGBT欠压过载保护端(VVPC、VUP1、VP、VFO)、W相供电和PWM输入及对应的IGBT短路保护端(VWPC、VWP1、WP、WFO)和其他三路PWM输入及六个IGBT短路保护端(VNC、VN1、UN、VN、WN、FO)构成，通过DSP产生六路不同时序的PWM信号触发IGBT生成三相交流信号来驱动三相电机，本文对U相进行了设计，其他几路与其类似，DSP的EPWM1A～EPWM6A分别触发UP、VP、WP、UN、VN、WN，光耦6N135和PC817通过光电二极管用来隔离模拟信号，可增加整个系统的抗干扰性。

图1 整流电路

图2 IPM逆变电路

3 反馈电路的设计

反馈电路由电流环(内环)和转速环(外环)两部分电路构成，构成一个双闭环电路，其电路如图3、图4所示。电流环通过电流互感器将采样到的电流变为5A，然后经过二极管的限幅作用将电压稳定到3.3V，由R12和C7构成PI电路，既可提升电机响应速度又可消除静态误差。

光电编码器EPC755A输出的A、B正交脉冲信号通过光耦PC817和RC低通滤波送到DSP的ADCINA1和ADCINA2中，电机旋转1圈A、B两路对应共输出1024个脉冲信号并触发GPIO0和GPIO1 1024次中断，从而可测出三相电机的转速大小。光电编码器一路送到D触发器74HC74的CLK端，一路送到D端，如果检测到74HC74的Q端为高电平说明编码器(电机)的旋转方向为正，如果检测到74HC74的Q端为低电平说明编码器的旋转方向为反。

图3 速度反馈电路

图4 电流反馈电路

4 控制芯片的选取与On-Chip控制分配

整个系统采用TMS320F28335芯片作为主控核心，该DSP芯片的主频率可达150MHz，运算能力强大，有12路PWM信号和丰富的GPIO口，128个中断可分为三级中断，能加快事件的相应速度[5,6]。TMS320F28335片上资源非常丰富，合理有效的分配片上资源可以大大地提高系统的工作效率以及系统的稳定运行，其控制资源分配如表1所示。

表1 控制资源分配

5 按键与显示及报警电路的设计

本设计使用四个独立按键控制电机速度给定和启停，通过12864显示出电机的转速、当前工作状态及相应的定子电流值等，这样的设计一目了然,可以很好地实现电机的控制。一旦出现欠压、短路等故障，DSP会使能中断使电机停止运行，并控制外设发出报警信号，其具体电路如图5所示。

图5 按键及12864显示电路

6 控制系统软件的设计

三相交流电机调速系统的主程序设计流程图如图6所示。当DSP得电后，立即开始初始化，同时关闭总中断，初始化完成后打开终端，开始实时检测转子的转速和三相电流值，以便给出合理的控制矢量，一旦外界有中断召唤(出现短路、系统欠压等)，立即暂停当前的任务进入中断服务函数进行响应。

7 结语

本文在自己多年来的实践心得和阅读大量的硕博论文、期刊、文献的基础上，选择TMS320F28335为主控芯片、PM100CSA120为功率模块，通过SVPWM控制方法对三相交流电机进行了研究，设计了基于DSP的交流调速系统。

图6 三相交流电机调速系统主流程图