基于DSP的交流異步電機(jī)高精度調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對交流異步電機(jī)的特性，設(shè)計了一套基于DSP的交流異步電機(jī)高精度調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用矢量控制技術(shù)作為系統(tǒng)的總體控制方案，以TI公司電機(jī)控制專用的高速數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F2812為系統(tǒng)的核心處理器，三菱電機(jī)公司的PS21246智能功率模塊(IPM)為逆變器件，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)和模糊PI控制算法，構(gòu)建了一個基于TMS320F2812 DSP的交流異步電機(jī)高精度控制平臺。
關(guān)鍵詞：DSP；IPM；矢量控制；SVPWM；模糊PI

近20年來，隨著新型電力電子器件的出現(xiàn)，控制器也實(shí)現(xiàn)了從8位單片機(jī)到32位DSP的轉(zhuǎn)變，特別是新型控制方法的出現(xiàn)，如：矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制以及模糊控制等，使得高精度交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成為可能。矢量控制具有轉(zhuǎn)矩平滑，調(diào)速范圍寬的特點(diǎn)。空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(space vector PWM，SVPWM)物理概念清晰，電機(jī)脈動轉(zhuǎn)矩小，直流電壓利用率高，且易于實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一套基于DSP的高精度交流調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)采用高速DSP芯片TMS320F2812作為核心，基于矢量控制與SVPWM相結(jié)合的控制方式，利用TMS320F2812芯片的事件管理器模塊(event manager，EV)產(chǎn)生對稱SVPWM脈沖，逆變器則采用智能功率模塊(intelligent power module，IPM)，保證了系統(tǒng)可靠性。在此基礎(chǔ)上綜合模糊PI控制算法，最終設(shè)計并構(gòu)建了基于DSP的高精度交流調(diào)速系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計
系統(tǒng)為基于高性能處理器的全數(shù)字交流調(diào)速系統(tǒng)，利用處理器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度環(huán)和電流環(huán)控制，與傳統(tǒng)的模擬調(diào)速系統(tǒng)相比，有著結(jié)構(gòu)簡單、功能靈活多樣、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。圖1為交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

系統(tǒng)由弱電控制、強(qiáng)電驅(qū)動以及信號采集3部分組成。弱電控制部分是系統(tǒng)的控制核心，其完成對電機(jī)的控制、信號量的設(shè)定。強(qiáng)電驅(qū)動部分是由逆變電路、三相整流橋和三相交流電源組成，其將不可控的三相交流電轉(zhuǎn)化為頻率可控的三相交流電來驅(qū)動電機(jī)。信號采集部分則由電流、測速傳感器組成，負(fù)責(zé)對電機(jī)進(jìn)行電流和轉(zhuǎn)速的檢測，為系統(tǒng)提供反饋信號。以上3部分有機(jī)的組合在一起就構(gòu)成了一個高精度交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

2 主要硬件芯片的選型及相關(guān)電路設(shè)計
2．1 DSP芯片的選型
主處理器選擇了TI(美國德州儀器)公司的TMS320F2812芯片，F(xiàn)2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點(diǎn)DSP芯片，最高可在150 MHz主頻下工作。F2812片內(nèi)集成眾多資源：存儲資源FLASH、RAM；標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如串行通信接口(SCI)、串行外設(shè)接口(SPI)、增強(qiáng)型eCAN總線接口，方便與外設(shè)之間進(jìn)行通信。在F2812內(nèi)部還集成了一個12位的ADC轉(zhuǎn)換模塊，最高采樣速率達(dá)12．5 MS／s；F2 812片上還包括事件管理器(EV)、定時器、看門狗以及大量的用戶可開發(fā)利用的GPIO口等資源。該芯片具有很高的性價比，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，特別是應(yīng)用于處理速度、處理精度方面要求比較高的領(lǐng)域，十分適合于本文的高精度電機(jī)控制系統(tǒng)。
2．2 逆變電路
逆變電路將整流后的直流電變成可控的交流電，考慮系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性要求，此部分采用模塊化的設(shè)計思想，即選擇智能功率模塊IPM作為功率器件。
IPM是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件，具有高電流密度、低飽和電壓、耐高壓、高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率等優(yōu)點(diǎn)。IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護(hù)電路，不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時間，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
系統(tǒng)采用了日本三菱電機(jī)的PS-21246系列的IPM智能功率模塊。當(dāng)IPM發(fā)生故障時，F(xiàn)O引腳輸出低電平，產(chǎn)生PDPINT功率保護(hù)中斷，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。