现代交流传动系统中,随着矢量控制、直接转矩控制等控制方法的出现和应用,使交流传动系统的性能有了明显的改善,矢量控制技术作为交流调速的首选方案之一,近年来得到不断的完善和改进。由于矢量控制策略较复杂,由模拟或模拟数字混合的实现方案存在电路复杂、一致性差、零漂等问题,因此应用高性能的数字信号处理器组成数字化矢量控制系统是目前热点研究方向。TMS320F2812是一款专为电机控制而设计的最新的32位定点DSP芯片,由于它具有成本低、功耗小、数据处理能力强、程序存储量大、运算速度快等特点,且与现有的24x/240x系列DSP控制芯片代码兼容,因此成为现代交流调速控制系统的首选芯片。本文首先建立了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统的模型,并利用TMS320LF2812DSP为核心控制芯片设计了一套矢量变频调速系统,构建了该系统的实验平台,给出了系统的硬件和软件组成方案,并进行了实验,给出了实验结果,实验结果表明了整个控制方案的可行性及系统的稳定性。
1 系统的数学模型及控制原理
1.1 交流异步电动机数学模型
在以上条件下,经过从静止到旋转坐标系的变换,得到转子磁场定向控制方程式如下:
其中:为漏磁系数,τr为转子时间常数,Rs、Rr为电机定转子电阻;Ls、Lr、Lm分别为定转子自感和互感;p是微分算子;Usd、Usq是定子电压在dq轴上的分量;isd、isq是定子电流在dq轴上的分量;ψsd、ψsq是定子磁链在dq轴上的分量。
1.2 交流异步电动机转子磁场控制原理
2 系统的组成及硬件和软件设计
2.1 系统的硬件构成:
图2是由TMS320F2812作为控制芯片的电机矢量控制系统硬件结构框图,整个系统由DSP作为主要控制元件的控制电路、用增量式光电编码器、霍尔传感器等组成的信号检测电路、驱动隔离和保护电路等几大部分组成;系统主电路采用交一直一交电压型变频器,主电路分为不控整流和逆变两部分,电感和电解电容构成低通滤波器对三相不控整流的输出进行滤波,为后级的逆变环节提供稳定的直流母线电压。滤波电感和滤波电容的值都取得较大以减小电压纹波。逆变部分选用了三菱智能IPM模块PM30CSJ060,该模块包含了由六个IGBT、六个续流二极管、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。模块的主电路共有5个端子,P和N为直流电源输入正端和负端,U,V,W为三相逆变器输出端。控制部分包括PWM信号输入,过流、欠压、过压等故障信号以及驱动电源等,其中DSP生成的PWM信号需通过光耦合器隔离后输入。上臂三个单管分别使用三个独立的电源进行控制,三个下管则共用一个电源,光耦输入有驱动电流时,光耦隔离器件导通,这时IPM控制输入为低电平,其控制的IGBT、导通,当光耦输入无驱动电流或驱动电流不够大时,光耦隔离器件不导通,这时IPM控制的输入为高电平,其控制的IGBT不导通。Up、Vp、Wp是与变频器直流输入正端P相接的各开关管控制输入端,Ufo,Vfo,Wfo是模块内部各个开关管的保护输出端,Un、Vn、Wn则是与变频器直流输入负端N相接的各管的控制输入端,FO是它们共同的保护输出端。PM30CSJ060的自保护电路中,任何一相保护电路动作,将产生一低电平,而且各相保护电路的故障信号(如过流、过压、欠压等)输出相与,所得信号送入DSP的PDPINT中断口(低电平有效),当DSP收到低电平信号时,作出中断处理,封锁PWM输出。
Vupl一Vupc,Vvpl一Vvpc,Vwpl—Vwpc,Vnl—Vnc所加的电压范围为13.5V~16.5V,本系统采用典型的电压值15V;加在PN端子上的电压范围为0~380V。
2.2 TMS320F2812芯片简介及由它组成的控制模块
系统的电流检测电路如图3示,由于电机绕组是对称的,因此只检测两相电流ia和ib,本系统是采用霍尔传感器来检测电机电流ia和ib的。图3为ia相电流检测电路,由图可见,先将电流霍尔检测到的电流ia经过信号比例放大,全波整流,输出供TMS320F2812的A/D口的ADCINl(ib的测量送入ADCIN2)进行采样,将模拟量转换成数字量,然后进行相应处理。TMS320F2812的A/D模块具有l 2位精度,这为提高系统的控制精度创造了条件,其电流采样的分辨率达到1/290。
在保护部分中,虽然IPM模块已经设有过压、欠压、过流、过热等保护,但是为了提高系统的安全可靠性及更好的保护IGBT管,我们还设置一套快速而准确的保护环节以防止各种故障,本环节保护电路的故障信号均输出相与,所得信号送入DSP的PDPINT中断口,当该口收到的电平信号后,DSP将做出相应的中断处理,立即封锁PWM输出及停止运行。
3 实验结果
图6是空载启动时定子电流和转速曲线的波形(图中:定子电流:横轴:250ms/格,纵轴:2A/格;转速:横轴:250ms/格,纵轴:400转/分/格),启动时间大约需1.25秒钟,启动电流比稳态时大2倍。
图7是直流发电机带63Ω的电阻负载时(异步电动机带的负载功率是1.2kW左右)启动过程的电流和转速波形(定子电流:横轴:250ms/格,纵轴:5A/格;转速:横轴:250ms/格,纵轴:400转/分/格),在带负载的情况下,电机的启动时间也是1.25秒钟,启动过程中启动电流比稳态时的电流值稍大但小于是2倍,说明随着负载功率的加大,启动电流和稳态电流越接近。
4 结论
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