dsPIC30F6010雙閉環(huán)矢量法在電機(jī)控制中的應(yīng)用

摘要：基于dsPIC30F6010芯片，采用全數(shù)字雙閉環(huán)矢量法控制三相交流異步電動(dòng)機(jī)，研究找出實(shí)現(xiàn)三相交流異步電機(jī)控制的實(shí)用方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)起動(dòng)快速、運(yùn)行平穩(wěn)，具有較寬的調(diào)速范圍，精度較高，當(dāng)測(cè)量轉(zhuǎn)速達(dá)到1000 r/min以上時(shí)，轉(zhuǎn)速精度小于等于0.8%，滿足了三相交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制需求。

引言

長(zhǎng)期以來(lái)，交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是一個(gè)難題。直到20世紀(jì)70年代，由于計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生，以及新型快速電力電子元件的出現(xiàn)，才使得交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速成為可能。交流電機(jī)變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)約電能、改善生產(chǎn)工藝流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及改善運(yùn)行環(huán)境的一種重要手段。

以兼具單片機(jī)控制性能強(qiáng)、價(jià)格低廉的特點(diǎn)和DSP運(yùn)算優(yōu)點(diǎn)的dsPIC30F6010作為控制芯片，采用全數(shù)字雙閉環(huán)矢量法控制三相交流異步電動(dòng)機(jī)，是目前開發(fā)研究的熱點(diǎn)，對(duì)變頻器的改進(jìn)和三相交流異步電動(dòng)機(jī)的控制具有一定的參考價(jià)值。

1 三相交流異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

在靜止α、β坐標(biāo)系統(tǒng)中，異步電機(jī)狀態(tài)方程為：

其中：Rs為定子繞組電阻;P為微分算子;Rr為轉(zhuǎn)子繞組電阻;Ls為α軸定子和轉(zhuǎn)子繞組等效電感;ωr為轉(zhuǎn)子角速度;Lr為β軸定子和轉(zhuǎn)子繞組等效電感;Lm為α、β坐標(biāo)系統(tǒng)中定子與轉(zhuǎn)子間同軸等效繞組間的互感。

電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

因此，檢測(cè)兩相電流iα與iβ可以根據(jù)矩陣表達(dá)式(4)計(jì)算定子靜止兩相電流分量iα與iβ，稱為Clarke變換。相反，如果已經(jīng)知道定子靜止兩相電流分量iα與iβ，那么就可以進(jìn)行Clarke逆變換。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開發(fā)板采用美國(guó)微芯公司的dsPICDEM 1.1電機(jī)開發(fā)板，如圖1所示。主芯片是dsPIC30F6010，具有液晶顯示模塊;A/D轉(zhuǎn)換功能接口;LED、開關(guān)、按鍵、電位器和溫度傳感器;編碼器接口;RS232串口;捕捉接口;RS485端口;晶振為7.372 8 MHz;支持MPLAB ICD2和MPLAB ICE 4000仿真器，配套IDE軟件開發(fā)環(huán)境。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。速度傳感器用來(lái)檢測(cè)速度;控制器是用來(lái)接收檢測(cè)的定子電流信號(hào)和速度信號(hào)，發(fā)出PWM信號(hào);驅(qū)動(dòng)電源用來(lái)檢測(cè)定子電流信號(hào)、做交-直-交的變換來(lái)控制電機(jī)。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 開環(huán)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)dsPIC30F6010的軟件，設(shè)定載波頻率為10～20kHz(這個(gè)頻率段正弦逼近程度是最好的，而且在IPM開關(guān)頻率之內(nèi))，該控制器的MCPWM模塊的三對(duì)PWM口(H為高端接IGBT的上橋臂，L為低端接IGBT的下橋臂)，采用中心對(duì)齊模式發(fā)出PWM控制信號(hào)(該配置將在每一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)線一線脈沖，有效開關(guān)頻率加倍，紋波電流減小，同時(shí)并未增加功率器件的開關(guān)損耗)。通過(guò)死區(qū)寄存/4，所以4倍頻PLL 后，F(xiàn)cy=Fosc)。

啟動(dòng)采用SVPWM開環(huán)控制。本文選用七段式電壓空間矢量PWM波形，由3段零矢量和4段相鄰的兩個(gè)非零矢量組成，3段零矢量分別位于PWM波的開始、中間和結(jié)尾。其中每個(gè)扇區(qū)Ux、Ux±60的選擇順序?yàn)榈?扇區(qū)，Ux=U0、Ux±60=U60;在第1扇區(qū)，Ux=U120、Ux±60=U60;在第 2扇區(qū)，Ux=U120、Ux±60=U180;在第3扇區(qū)，Ux=U240、Ux±60=U180;在第4扇區(qū)，Ux=U240、 Ux±60=U300;在第5扇區(qū)，Ux=U0、Ux±60=U300。七段式SVPWM的PWM波形如圖3所示。

3.2 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閉環(huán)子程序用來(lái)完成矢量雙閉環(huán)控制程序流程如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)用的是YS-7124系列鼠籠式三相交流異步電動(dòng)機(jī)，其中功率為370 W，額定電流為1.94/1.12 A，額定電壓為220/380V，額定頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)速為1400r/min，效率為69.5%，功率因數(shù)為0.72，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩為2.4，堵轉(zhuǎn)電流/額定電流為6，最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩為2.4。

4.1 開環(huán)實(shí)驗(yàn)

從圖5和圖6中可以看出，每?jī)上嚯妷旱南辔徊钍?20°。從表1中可以看出，電機(jī)從2Hz開始轉(zhuǎn)動(dòng)，在10Hz以后速度接近理論值，在達(dá)到額定頻率時(shí)轉(zhuǎn)速略高于額定轉(zhuǎn)速1400r /min。電機(jī)在低頻下運(yùn)行不穩(wěn)定的原因在于頻率較低時(shí)，電壓下降過(guò)大，造成臨界轉(zhuǎn)矩下降。與硬件設(shè)備相同的(本試驗(yàn)設(shè)備)，調(diào)制度為1時(shí)的5 Hz開始轉(zhuǎn)動(dòng)的SPWM控制相比，前者的電壓利用率要高。對(duì)于角接三相異步電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電源外接220 V交流電，當(dāng)SPWM調(diào)制度為1時(shí)，相電壓的有效值最大為110V，角接相電壓等于線電壓。實(shí)際測(cè)得SVPWM在50 Hz下的電壓是120 V。SVPWM的電壓利用率比SPWM高，調(diào)速范圍寬，證明矢量控制采用SVPWM技術(shù)具有優(yōu)越性。

電機(jī)的速度在25個(gè)PWM周期(2.5 ms)調(diào)節(jié)一次，啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間大約為0.6 s(可根據(jù)要求調(diào)整)，實(shí)驗(yàn)圖形表明：上升時(shí)間tr大約在0.11 s，峰值時(shí)間tp在0.6 s左右，超調(diào)量Mp大約為12%，有3次振蕩，調(diào)整時(shí)間ts為0.84 s左右，在1000 r/min穩(wěn)定時(shí)最大誤差為1.5%。

4. 2 閉環(huán)實(shí)驗(yàn)

單閉環(huán)控制速度圖如圖7所示，矢量控制轉(zhuǎn)速圖形如圖8所示。

從矢量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，電機(jī)在空載的條件下，調(diào)速范圍較寬，能達(dá)到50～1400 r/min，系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定地達(dá)到設(shè)定值，整個(gè)系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)等功能。

可以看出，矢量控制雙閉環(huán)的速度波動(dòng)比啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的電機(jī)速度波動(dòng)要小，而且在同一PI調(diào)節(jié)參數(shù)下，速度調(diào)節(jié)要比單閉環(huán)更平穩(wěn)。

電機(jī)的速度在25個(gè)PWM周期(2.5 ms)調(diào)節(jié)一次，啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間大約為0.6 s(可根據(jù)要求調(diào)整)，上升時(shí)間tr大約在0.3 s，峰值時(shí)間tp在0.8 s左右，超調(diào)量Mp非常小，大約為0.1%，幾乎無(wú)振蕩，調(diào)整時(shí)間ts為0.84 s左右，電流變化也較小，并且穩(wěn)定后接近正弦波形，矢量控制電機(jī)運(yùn)行非常穩(wěn)定，因編碼器干擾等原因速度值存在2%以下的誤差(50～1400 r/min)。對(duì)比單純的SVPWM開環(huán)控制在1000 r/min的誤差2%，單閉環(huán)的1.5%，矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在1000 r/min時(shí)，實(shí)際最大誤差僅為0.8%，而且雙閉環(huán)的超調(diào)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單閉環(huán)，且無(wú)振蕩。dsPIC30F6010指令多為單周期指令，所以運(yùn)行速度也快，從而可以看出本控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究，驗(yàn)證了dsPIC30F6010應(yīng)用在電機(jī)控制上的可靠性和優(yōu)越性，找到了一種適用于三相交流異步電動(dòng)機(jī)全數(shù)字、高性能的通用方法。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，這種基于dsPIC30F6010的三相交流異步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)在交流調(diào)速和制作變頻器方面具有一定參考價(jià)值。