基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统设计与实现

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摘 要：以三菱公司的智能功率模块PM25RSB-120作为主电路核心，TI公司的TMS320LF2407A DSP芯片作为控制电路核心，设计了一个三相异步电动机矢量控制变频调速系统。实验结果表明整个系统动态响应快，超调量小，稳态精度高。
关键词：DSP；三相异步电动机；智能功率模块；矢量控制

Abstract：We design a vector control system of Three-phase Asynchronous Motor by taking the PM25RSB-120 IPM of MITSUBISHI & TMS320LF2407A DSP of TI as the key controller of the main circuit and control circuit. The experimental results show that the whole system run well with quick dynamic response, small overshoots and high accuracy of steady-state.
Keywords：Digital Signal Processor; Three-phase Asynchronous Motor; Intelligent Power Module; Vector Control

1 前言

在石油石化行业，石油钻井中的钻机，生产现场的抽油机、风机、水泵、输油泵和泥浆泵等电机的运行都要消耗大量的电能，如何充分合理地利用电能显得非常重要。而采用变频调速技术后，节能效果非常明显。新疆克拉玛依油田多处输油泵采用变频调速装置，如采油三厂在输油泵上应用一台变频器，运行后效果良好，经仪表测试，采用变频调速后，有功节电为65.73%，无功节电为78.79%，功率因数达到0.99。据实际运行统计，变频调速输油节电率为46.83%，316天后可收回全部投资。湖南长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵采用100kVA变频器后，输出功率由18.6kW降至7.2kW，节电61.3%[3]。在我国，异步电机的变频调速系统有巨大的市场潜能。

本文以TMS320LF2407A DSP芯片为控制核心对高性能矢量控制变频调速系统进行了硬件和软件设计，最后对整个系统进行了实验研究。

2 异步电机的矢量控制技术

异步电机在三相静止坐标系下的数学模型很复杂，关键是由于其复杂的磁链关系。因此，要简化数学模型，必须通过坐标变换将异步电机的数学模型从三相静止坐标系上变换到两相同步旋转坐标系上。从三相静止坐标系（ABC坐标系）到两相静止坐标系（0ab坐标系）的变换称为Clarke变换，从两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系（OMT坐标系）的变换称为Park变换。

矢量控制也叫磁场定向控制，通过坐标变换，在两相同步旋转坐标系上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量ism 和产生转矩的转矩电流分量ist，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样，交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了，这就是矢量控制的核心思想[1]。

3 系统组成

基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统结构图如图1所示。它包含主电路、控制电路和保护电路三大部分，具体由整流滤波模块、逆变模块、IPM保护模块、三相异步电动机、电压、电流和转速检测模块、显示模块、主控制模块、DSP与PC机通信模块等组成。

图1 基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统结构框图
系统主电路采用典型的交—直—交电压型变频器结构。整流环节采用三相桥式不可控整流模块，逆变电路采用三菱公司的智能功率模块（IPM）PM25RSB-120作为功率器件，中间直流环节利用大电容滤波。系统控制电路包含两个部分，即TMS320LF2407A DSP核心电路和基于核心电路的外部扩展电路。DSP核心电路负责整个系统的控制和具体的算法实现功能，外部扩展电路主要完成电压、电流和速度信号的检测，数据显示以及DSP与PC机通信等功能，并对IPM发出的各种故障信号进行综合处理形成总的故障信号送入TMS320LF2407A的故障中断入口。上位机（PC机）部分采用Visual Basic编写通信界面，主要负责转速（频率）和磁通的给定以及调速系统故障显示等功能。
4 系统硬件设计

主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路三部分。整流电路选用日本富士公司的6RI15G-120（15A 、1200V）三相全桥整流模块。滤波电容值理论上越大越好，考虑到体积和价格，选用两个1000μF/450V的电解电容相串联，总耐压值为900V，电容量为500μF 。逆变电路选用日本三菱公司的第三代智能功率模块IPM，型号为PM25RSB-120（25A 、1200V），其内部本身就集成了过压、欠压、过流、过热和短路等的输出报警功能。

PM25RSB-120有两个直流输入口（P，N），三个交流输出口（U，V，W），一个泵升制动口（B）和19个控制输入口。TMS320LF2407A 产生的六路PWM信号经过东芝光耦隔离器TLP521后输入到PM25RSB-120的UP、VP、WP和UN、VN、WN控制引脚，分别控制三相逆变桥的上、下桥臂的导通与关闭。三相整流桥输出的直流电压信号经P、N端子输入到PM25RSB-120中。

图2 IPM逆变电路
当IPM出现故障时，UFO、VFO、WFO和FO口发出故障信号；对这些信号进行综合处理后形成总的故障信号，并将其送入TMS320LF2407A的口，及时封锁DSP的PWM口，对整个系统进行保护。IPM的驱动电源必须采用四组+15V的隔离电源。上桥臂每相各用一组电源，三个下桥臂和泵升电压控制共有一组，各驱动电源上连接的10μF和0.1μF电容是从电源到IPM之间布线阻抗的退耦。IPM逆变电路图如图2所示。

4.2 控制电路设计

TI 公司的 TMS320LF2407A DSP控制器是性能很好的数字电动机控制芯片，作为一种专门面向数字控制系统的通用可编程微处理器，它既集成了极强的数字信号处理能力，又集成了数字控制系统所必需的输入、输出、A/D 转换和事件捕捉等外设[2]。

控制电路由两块PCB板组成，DSP核心电路组成一块PCB板，基于DSP核心电路的外部扩展电路组成另外一块PCB板。本设计中，控制电路主要完成电压、电流和速度信号检测，DSP与PC机通信，数据显示以及故障信号综合处理等功能。

本设计选用华南理工大学科技开发公司提供的CHB5-P型霍尔电流传感器来检测电流，它的工作电压为 15V，能够测量 10A之间的电流，输出电流的最大值为10mA。TMS320F2407A 内带有10 位A/D转换器，每个A/D转换器的最快转换时间是 375ns。在检测定子电流时，需要进行A/D转换的量为两路输入电流，因此需要2个通道并行转换完成信号的传输。

图3 电流检测及信号调理电路图
如图3示，霍尔电流传感器的一路输出信号经过电阻R26后转换成相应的双极性电压信号Ua；Ua经过电平偏移放大电路后变成单极性的电压信号U2 ，该信号可以直接送入DSP A/D转换器的第0通道进行电流采样。本设计中电平偏移放大电路由双运算放大器LM358、电阻R27、R28、R30和LM366组成。LM366是能够提供2.5V基准电压（U0）的电压基准芯片，二极管 D6 、D7 组成限幅电路，保证了 DSP 的输入在0～3.3V 之间。在本设计中，A/D 转换基准电压为3.3V，它由 TI 公司的电平转换芯片REF3033提供，REF3033是一个高精度电压基准芯片，误差为0.2％，输出电流最大为 25mA。