基于TMS320F2812和IPM實現(xiàn)感應電機矢量控制系統(tǒng)的控制

1引言

近年來交流變頻調速系統(tǒng)發(fā)展很快，已成為調速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。1971年提出的矢量控制理論根據(jù)磁動勢等效原則，應用坐標變換將三相系統(tǒng)等效為二相系統(tǒng)，再經(jīng)過按磁場定向的同步旋轉變換實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉矩分量之間的解耦，從而達到對交流電機的磁鏈和電流分別控制的目的。這樣就可將一臺三相異步電動機等效為直流電機來控制，因而獲得了與直流調速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。

2矢量控制的原理

矢量控制也稱為磁場定向控制，其基本思路是模擬直流電機來控制，根據(jù)磁動勢和功率不變的原則通過坐標變換，將三相靜止坐標變換成兩相靜止坐標(即 Clarck變換)，然后通過旋轉變換將兩相靜止坐標變成兩相旋轉坐標(即 Park變換),在 Park變換下將定子電流矢量分解成按轉子磁場定向的兩個直流分量iM ,iT(其中iM稱為勵磁電流分量, iT為轉矩電流分量)，并對其分別加以控制?？刂?iM就相當于控制磁通，而控制 iT就相當于控制轉矩。通過解耦，控制交流電動機和控制直流電動機一樣方便，圖 1所示為矢量控制的結構框圖。

3電壓空間矢量 SVPWM的原理

空間電壓矢量調制法是以三相對稱正弦波電壓供電時交流電機的理想磁通圓為基準，用逆變器不同的開關模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準圓磁通，并由它們比較的結果決定逆變器的開關狀態(tài)，形成 PWM波形。位于同一橋臂的功率管的導通狀態(tài)是相反的。當位于同一橋臂的上面的功率管導通時，下橋臂的功率管一定是關斷的。假設功率管導通狀態(tài)為1，關斷狀態(tài)為0，我們只通過上橋臂功率管的開關狀態(tài)（這里表示成開關向量[ a，b，c]T，可以推

假定 Uout處于1 0扇區(qū)中，定義 T1、T2和T0分別為向量 V4、V6、V0(或V7)的持續(xù)時間，T為載波 PWM的周期。由以下兩式可算出 T1、T2和 T0：

4系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

該系統(tǒng)采用交-直-交電壓型變頻電路。主電路由整流電路、濾波電路、開關電源電路、電流檢測電路及智能功率模塊 IPM逆變電路等構成。主電路的整流部分是由不可控二極管組成的，在設計主電路的時候，選用了智能型器件IPM。IPM是 IGBT智能化功率模塊，它將IGBT芯片、驅動電路、保護電路等封裝在一個模塊內，不但便于使用，而且大大有利于裝置的小型化、高性能化和高頻化，設有過流和短路保護，欠電壓保護。系統(tǒng)結構框圖見圖4。系統(tǒng)控制電路以 TMS320F2812芯片為核心,外擴 RAM構成功能齊全的矢量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)由上位機通過通信接口下傳給下位機，DSP負責采樣各相電流，計算電機的轉速和位置，最后運用矢量控制算法，得到 SVPWM控制信號，經(jīng)過光耦隔離電路后，驅動逆變器功率開關器件，同時 DSP還監(jiān)控變頻系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓、過熱等故障時，DSP將封鎖SVPWM信號，使電機停止運行。

系統(tǒng)控制回路主要包括了 DSP微處理器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和控制信號I/O電路，驅動電路，保護電路等子系統(tǒng)。

5系統(tǒng)軟件設計

此系統(tǒng)中對感應電機的所有控制都是通過 F2812 的軟件來完成的。軟件程序由主程序和定時器下溢中斷子程序組成。主程序中進行硬件和變量初始化，對各個控制寄存器置初值，對運算過程中使用的各種變量分配地址并設置相應的初值。中斷子程序的工作是在每一個PWM 周期里, 計算出下一個 PWM 周期的三個比較寄存器的比較值, 并送到比較寄存器中。中斷服務子程序是系統(tǒng)的核心部分，執(zhí)行 SVPWM調制，故障處理中斷等。系統(tǒng)軟件的定時器下溢中斷程序流程見圖3。

6實驗結果與結論

結合交流電機控制系統(tǒng)，用 C語言編寫了載波頻率為2KHz，變頻范圍為0～100Hz的SVPWM控制程序。驅動的電機為三相異步電動機，定子繞組星形結法。采用 TMS320F2812每周期內只發(fā)生一次定時器周期中斷，實時性好，而且占用 CPU較少，使CPU有很大能力去完成其它任務。圖4，圖 5為 DSP輸出的一路 SVPWM波形及調制信號 30Hz時控制器輸出經(jīng)過低通濾波后的相電壓波形。

采用 TMS320F2812和 IPM等模塊化的芯片，利用電壓空間矢量調制技術構成的感應電機矢量控制系統(tǒng)，輸出電流的諧波成分減少, 硬件電路簡單, 系統(tǒng)的動態(tài)響應、控制精度有很大提高, 復雜算法得以實現(xiàn)。采用 DSP結合先進控制算法的矢量控制系統(tǒng)在感應電機的控制中將有廣泛的應用前景。

應用更新一代的 DSP芯片 TMS320F2812，以及采用具有更多保護功能的 IPM來構成控制系統(tǒng)，簡化了外圍電路，應用數(shù)字信號處理芯片實現(xiàn)軟件算法使控制精度進一步提高，響應更加快速。