基于DSP的交流電機(jī)伺服控制器設(shè)計(jì)

交流感應(yīng)電機(jī)因其結(jié)構(gòu)牢固、運(yùn)行穩(wěn)健可靠、成本低廉和高效率等而被廣泛使用。但是交流電機(jī)的可控制性不如直流電機(jī)，而在很多應(yīng)用中有精確定位、轉(zhuǎn)距控制、速度控制等要求。為了實(shí)現(xiàn)此功能并提高控制精度，需要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)和較為復(fù)雜、有效的控制算法，這些復(fù)雜的控制算法中包含了大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，對(duì)微處理器運(yùn)算能力和速度要求更高[1]。交流電機(jī)的控制以前大多采用單片機(jī)8031、8051等，其電路采用的元器件多、硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性差、靈活性小。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的出現(xiàn)使得實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的模塊化和全數(shù)字化成為可能。本文以TMS320F812為核心控制器，設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)良的交流電機(jī)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由功率變換器、控制器、電流和位置檢測(cè)單元以及交流電機(jī)組成。功率變換器由交流電整流后的直流電供電，向交流電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)所需的能量?？刂齐娐肥窍到y(tǒng)中樞，綜合處理速度信號(hào)、速度反饋信號(hào)及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器主開關(guān)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。

2 交-直-交電壓型變頻器的主電路

交-直-交電壓型變頻器是中小容量、通用性變頻器的主要形式，其主電路如圖1所示，由交-直變換電路，直-交變換電路和能耗制動(dòng)電路組成。

2.1 整流電路

在SPWM變頻器中，大多采用橋式全波整流電路。在中小容量變頻器中，整流器件采用不可控的整流二極管或二極管模塊，如圖1中的D1~D6是整流器件的一般選擇[4]。

(1)最大反向電壓

2.2 濾波及限流電路

(1)濾波電路 由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電容通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，又由2個(gè)電容器組串聯(lián)而成，如圖1所示。又因?yàn)殡娊怆娙莸碾娙萘坑斜容^大的離散性，故電容器組的電容量不能完全相等，這將使它們所承受的電壓不相等。為了使其承受的電壓相等，在電容器組旁各并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻，如圖1中R1、R2。

(2) 限流電路 串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間，由限流電阻和斷路開關(guān)組成。變頻器在接入總電源之前，濾波電容上的直流電壓為0 V。因此當(dāng)變頻器剛接入電源的瞬間，會(huì)有一個(gè)很大的沖擊電流經(jīng)過整流橋流向?yàn)V波電容，使整流橋可能因此而受到損壞；同時(shí)，也可能使電源的瞬間電壓明顯下降，形成干擾。限流電阻就是為了削弱該沖擊電流而串接在整流橋和濾波電容之間的。但是，限流電阻如果長(zhǎng)期接在電路內(nèi)，會(huì)影響到直流電壓和變頻器輸出電壓的大小。所以，當(dāng)直流電壓增大到一定程度時(shí)，令斷路開關(guān)SS接通，把RS切出電路，SS大多由晶閘管構(gòu)成，在這個(gè)容量較小的變頻器中，選擇繼電器即可。

2.3 三相逆變橋電路

三相逆變橋的功能是把直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的的三相交流電,由逆變電路和續(xù)流電路組成的[5]。

(1)逆變電路 在圖1中，由開關(guān)器件V1~V6構(gòu)成的電路，常稱之為逆變橋。V1~V6接受控制電路SPWM調(diào)制信號(hào)的控制，將直流電逆變成三相交流電。當(dāng)電源電壓為220 V時(shí)，整流后直流電壓：

(2) 續(xù)流電路 圖1中并聯(lián)在開關(guān)管的6個(gè)二極管構(gòu)成續(xù)流電路，其功能是為電動(dòng)機(jī)繞組的無功電流返回直流電路時(shí)提供通路；當(dāng)頻率下降、同步轉(zhuǎn)速下降時(shí)，為電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通路；為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路。

2.4 能耗制動(dòng)電路

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)通過逐漸減小頻率實(shí)現(xiàn)。在頻率剛減小的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180°，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)過續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無法輸回給電網(wǎng)，僅靠濾波電容吸收，盡管部分電能還被繼續(xù)消耗，但濾波電容上仍有短時(shí)間的電荷堆積，形成泵生電壓使直流電壓升高。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此當(dāng)直流電壓超過一定值時(shí)，就要提供一條放生回路，將再生的電能消耗掉。能耗制動(dòng)電路便是專門用來消耗電動(dòng)機(jī)再生電能的電路。能耗制動(dòng)電路由制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元開關(guān)管組成，在圖1中，介于濾波電路和逆變電路之間的電路是能耗制動(dòng)電路。制動(dòng)電阻R是專門用于將電動(dòng)機(jī)的再生電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉，選擇器件時(shí)主要考慮電阻阻值以及功率，一般情況下，阻值的大小以使制動(dòng)電流不超過變頻器額定電流的一半為宜。

取100 W即可，可選擇琺瑯大功率電阻510 Ω/200 W。

制動(dòng)單元一般由功率管、電壓取樣與比較電路以及驅(qū)動(dòng)電路組成。由于電壓較大，應(yīng)選用電流互感器將電流采樣后轉(zhuǎn)換為0~3 V的電壓，經(jīng)過2812的AD單元后與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果達(dá)到要求，則2812輸出一路信號(hào)通過光電耦合器后驅(qū)動(dòng)功率管打開，進(jìn)行能耗制動(dòng)。功率管經(jīng)常選用GTR或IGBT，但本系統(tǒng)功率較小，選用功率較大的三極管即可。要求如下：

2.5 電流采樣電路

系統(tǒng)中的電流檢測(cè)環(huán)節(jié)是電流傳感器，該電流傳感器是利用霍爾效應(yīng)和磁平衡原理制成的一種電流傳感器，能夠測(cè)量直流、交流及各種脈沖電流，同時(shí)在電氣上高度絕緣。經(jīng)過霍爾電流傳感器，需要檢測(cè)的電流信號(hào)按比例縮小為電壓信號(hào)，為了防止后續(xù)電路對(duì)這個(gè)電壓檢測(cè)信號(hào)的干擾，系統(tǒng)利用運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷”的原理設(shè)計(jì)了電壓跟隨器，霍爾元件檢測(cè)到電流信號(hào)后，由于電壓PWM調(diào)制的影響，波形不可避免地會(huì)有一些毛刺，所以需要加一個(gè)低通濾波器，采用二階壓控型低通濾波器。濾波電路的輸出在進(jìn)入DSP和AD環(huán)節(jié)之前，為了防止電壓太大損壞DSP，還需經(jīng)過一個(gè)鉗位電路,DSP芯片使用3．3 V 供電，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3．3 V鉗位電路，使得輸入AD轉(zhuǎn)換模塊引腳的模擬信號(hào)不超過3．3 V，如圖2所示。

2.6 光電編碼電路

　測(cè)速是速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用光電編碼器，有A相、B相、Z相三路輸出。其中A相與B相用于測(cè)速，它們的相位差為90°，每轉(zhuǎn)一圈輸出2 048個(gè)脈沖；而z相脈沖為每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖；脈沖的幅值為15 V。光電編碼器的A 相和B相經(jīng)光電隔離后進(jìn)入74LS14轉(zhuǎn)換成幅值較低的脈沖信號(hào)，輸入到DSP的編碼器接QEP1和QEP2引腳。其電路圖如圖3所示。

2.7 溫度檢測(cè)電路

電路中R1、R2、R3采用精密電阻，用來減小溫漂影響。為了消除由于鉑熱電阻阻值較小、受連接導(dǎo)線的電阻及接觸電阻對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生的影響，采用三線制接法，調(diào)整R1可以使電橋平衡。將電橋輸出接入OP07，反相放大40倍后接入DSP的AD單元。通過計(jì)算出鉑電阻阻值，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，先查表得出特定溫度鉑電阻的阻值（如100℃），當(dāng)計(jì)算的鉑電阻阻值大于這一阻值時(shí)，停止DSP工作并報(bào)警，保護(hù)相關(guān)的元器件。如圖4所示。

3 DSP與硬件部分的連接

在本系統(tǒng)中，DSP的主要功能是根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)逆變橋的6個(gè)開關(guān)管的通斷并且根據(jù)采樣信號(hào)來打開或關(guān)斷能耗制動(dòng)電路的功率管[5]。由于DSP輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力較弱，且為了實(shí)現(xiàn)低壓數(shù)字電路和高壓模擬電路之間的電氣隔離，需要采用光耦隔離，另外，DSP芯片輸出信號(hào)頻率較高，需要反應(yīng)速度較快的光耦。通常按低電平開通高電平截至的原則設(shè)計(jì)接口電路。實(shí)際應(yīng)用中，某些開關(guān)可能不用，但輸入信號(hào)加上拉電阻可以保證其關(guān)斷。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)體現(xiàn)了硬件實(shí)現(xiàn)的可行性，為下一步的實(shí)際運(yùn)用打下了良好的基礎(chǔ)。