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控制系統(tǒng)

基于DSP的感應(yīng)電機(jī)SVPWM矢量控制系統(tǒng)

星之球激光 來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2011-12-30 我要評(píng)論(0 )   

1引言 近年來(lái)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快,已成為調(diào)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(dòng)勢(shì)等效原則,應(yīng)用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為二相系統(tǒng),...

1引言

  近年來(lái)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快,已成為調(diào)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(dòng)勢(shì)等效原則,應(yīng)用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為二相系統(tǒng),再經(jīng)過(guò)按磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦,從而達(dá)到對(duì)交流電機(jī)的磁鏈和電流分別控制的目的。這樣就可將一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)控制,因而獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。

  2矢量控制的原理

  矢量控制也稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制,其基本思路是模擬直流電機(jī)來(lái)控制,根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)和功率不變的原則通過(guò)坐標(biāo)變換,將三相靜止坐標(biāo)變換成兩相靜止坐標(biāo)(即 Clarck變換),然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換將兩相靜止坐標(biāo)變成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(即 Park變換),在 Park變換下將定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩個(gè)直流分量iM ,iT(其中iM稱(chēng)為勵(lì)磁電流分量, iT為轉(zhuǎn)矩電流分量),并對(duì)其分別加以控制。控制 iM就相當(dāng)于控制磁通,而控制 iT就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。通過(guò)解耦,控制交流電動(dòng)機(jī)和控制直流電動(dòng)機(jī)一樣方便,圖 1所示為矢量控制的結(jié)構(gòu)框圖。


  3電壓空間矢量 SVPWM的原理

  空間電壓矢量調(diào)制法是以三相對(duì)稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)交流電機(jī)的理想磁通圓為基準(zhǔn),用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通,并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài),形成 PWM波形。位于同一橋臂的功率管的導(dǎo)通狀態(tài)是相反的。當(dāng)位于同一橋臂的上面的功率管導(dǎo)通時(shí),下橋臂的功率管一定是關(guān)斷的。假設(shè)功率管導(dǎo)通狀態(tài)為1,關(guān)斷狀態(tài)為0,我們只通過(guò)上橋臂功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)(這里表示成開(kāi)關(guān)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(shí)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(shí)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(kāi)關(guān)電源電路、電流檢測(cè)電路及智能功率模塊 IPM逆變電路等構(gòu)成。主電路的整流部分是由不可控二極管組成的,在設(shè)計(jì)主電路的時(shí)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(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等封裝在一個(gè)模塊內(nèi),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(shè)有過(guò)流和短路保護(hù),欠電壓保護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖4。系統(tǒng)控制電路以 TMS320F2812芯片為核心,外擴(kuò) RAM構(gòu)成功能齊全的矢量控制系統(tǒng),系統(tǒng)參數(shù)由上位機(jī)通過(guò)通信接口下傳給下位機(jī),DSP負(fù)責(zé)采樣各相電流,計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置,最后運(yùn)用矢量控制算法,得到 SVPWM控制信號(hào),經(jīng)過(guò)光耦隔離電路后,驅(qū)動(dòng)逆變器功率開(kāi)關(guān)器件,同時(shí) DSP還監(jiān)控變頻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等故障時(shí),DSP將封鎖SVPWM信號(hào),使電機(jī)停止運(yùn)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(hào)I/O電路,驅(qū)動(dòng)電路,保護(hù)電路等子系統(tǒng)。

  5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  此系統(tǒng)中對(duì)感應(yīng)電機(jī)的所有控制都是通過(guò) F2812 的軟件來(lái)完成的。軟件程序由主程序和定時(shí)器下溢中斷子程序組成。主程序中進(jìn)行硬件和變量初始化,對(duì)各個(gè)控制寄存器置初值,對(duì)運(yùn)算過(guò)程中使用的各種變量分配地址并設(shè)置相應(yīng)的初值。中斷子程序的工作是在每一個(gè)PWM 周期里, 計(jì)算出下一個(gè) PWM 周期的三個(gè)比較寄存器的比較值, 并送到比較寄存器中。中斷服務(wù)子程序是系統(tǒng)的核心部分,執(zhí)行 SVPWM調(diào)制,故障處理中斷等。系統(tǒng)軟件的定時(shí)器下溢中斷程序流程見(jiàn)圖3。


  6實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

  結(jié)合交流電機(jī)控制系統(tǒng),用 C語(yǔ)言編寫(xiě)了載波頻率為2KHz,變頻范圍為0~100Hz的SVPWM控制程序。驅(qū)動(dòng)的電機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī),定子繞組星形結(jié)法。采用 TMS320F2812每周期內(nèi)只發(fā)生一次定時(shí)器周期中斷,實(shí)時(shí)性好,而且占用 CPU較少,使CPU有很大能力去完成其它任務(wù)。圖4,圖 5為 DSP輸出的一路 SVPWM波形及調(diào)制信號(hào) 30Hz時(shí)控制器輸出經(jīng)過(guò)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(diào)制技術(shù)構(gòu)成的感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng),輸出電流的諧波成分減少, 硬件電路簡(jiǎn)單, 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、控制精度有很大提高, 復(fù)雜算法得以實(shí)現(xiàn)。采用 DSP結(jié)合先進(jìn)控制算法的矢量控制系統(tǒng)在感應(yīng)電機(jī)的控制中將有廣泛的應(yīng)用前景。

  本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是應(yīng)用更新一代的 DSP芯片 TMS320F2812,以及采用具有更多保護(hù)功能的 IPM來(lái)構(gòu)成控制系統(tǒng),簡(jiǎn)化了外圍電路,應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理芯片實(shí)現(xiàn)軟件算法使控制精度進(jìn)一步提高,響應(yīng)更加快速。

 

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