王騰飛

(大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，山西 大同 037000)

0 引言

現(xiàn)如今大功率電氣傳動(dòng)領(lǐng)域廣泛使用交流電機(jī)，從實(shí)際的角度來看，三相交流電機(jī)在調(diào)速方面上性能的優(yōu)劣直接影響到生產(chǎn)的各個(gè)方面，往年以來的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于各類生產(chǎn)拖動(dòng)系統(tǒng)，直流電機(jī)在傳動(dòng)環(huán)節(jié)的運(yùn)行上由于換向器和電刷所存在的機(jī)械摩擦所造成的火花問題愈來愈凸顯出來，進(jìn)而導(dǎo)致了事故率的頻發(fā)性以及維護(hù)工作負(fù)荷量的增加[1-3]。因而，較之于直流電機(jī)，三相交流電機(jī)成本低，維護(hù)簡便以及不存在機(jī)械換向弊端、能適應(yīng)惡劣工作場合、更適宜應(yīng)用高電壓及大電流的可關(guān)斷電子器件等優(yōu)良特點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種優(yōu)良可靠的三相交流電機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)是很有必要的。

1 矢量控制原理

三相交流電機(jī)矢量控制的原理是通過建立旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩的非線性解耦，從而可等效成一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)并模仿直流調(diào)速的方法來控制交流電機(jī)。SVPWM能降低功率開關(guān)管的損耗和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，算法簡單且容易實(shí)現(xiàn)[3,4]，其控制原理是通過實(shí)時(shí)檢測三相交流電動(dòng)機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)速的大小，并經(jīng)過3 s/2 s和2 s/2 r變換將電流送到勵(lì)磁電流輸入端(內(nèi)環(huán))和將轉(zhuǎn)速大小送到轉(zhuǎn)速輸入端(外環(huán))，然后經(jīng)過2 r/2 s變換和SVPWM觸發(fā)IGBT產(chǎn)生三相交流控制電機(jī)。

2 橋式整流及逆變電路的設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)選定

本設(shè)計(jì)使用的電機(jī)額定參數(shù)分別為：PN=20 kW、UN=380V(Δ接法)、IN=15A、cosφN=0.9、nN=1 440 r/min、ηN=0.76、fN=50 Hz和λT=2.2。

2.2 整流與逆變電路的原理分析

針對使用分立元件搭建電路的復(fù)雜和不穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)選取三菱公司的IPM模塊PM100CSA120，它的額定工作電壓/電流是1200V/100A，內(nèi)部有IGBT逆變電路和欠壓過載保護(hù)電路，PM100CSA120由DC輸入口(P、N)、AC輸出口(U、V、W)、U相供電和PWM輸入及對應(yīng)的IGBT欠壓過載保護(hù)端(VUPC、VUP1、UP、UFO)、V相供電和PWM輸入及對應(yīng)的IGBT欠壓過載保護(hù)端(VVPC、VUP1、VP、VFO)、W相供電和PWM輸入及對應(yīng)的IGBT短路保護(hù)端(VWPC、VWP1、WP、WFO)和其他三路PWM輸入及六個(gè)IGBT短路保護(hù)端(VNC、VN1、UN、VN、WN、FO)構(gòu)成，通過DSP產(chǎn)生六路不同時(shí)序的PWM信號(hào)觸發(fā)IGBT生成三相交流信號(hào)來驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)，本文對U相進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其他幾路與其類似，DSP的EPWM1A～EPWM6A分別觸發(fā)UP、VP、WP、UN、VN、WN，光耦6N135和PC817通過光電二極管用來隔離模擬信號(hào)，可增加整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性。

圖1 整流電路

圖2 IPM逆變電路

3 反饋電路的設(shè)計(jì)

反饋電路由電流環(huán)(內(nèi)環(huán))和轉(zhuǎn)速環(huán)(外環(huán))兩部分電路構(gòu)成，構(gòu)成一個(gè)雙閉環(huán)電路，其電路如圖3、圖4所示。電流環(huán)通過電流互感器將采樣到的電流變?yōu)?A，然后經(jīng)過二極管的限幅作用將電壓穩(wěn)定到3.3V，由R12和C7構(gòu)成PI電路，既可提升電機(jī)響應(yīng)速度又可消除靜態(tài)誤差。

光電編碼器EPC755A輸出的A、B正交脈沖信號(hào)通過光耦PC817和RC低通濾波送到DSP的ADCINA1和ADCINA2中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈A、B兩路對應(yīng)共輸出1024個(gè)脈沖信號(hào)并觸發(fā)GPIO0和GPIO1 1024次中斷，從而可測出三相電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。光電編碼器一路送到D觸發(fā)器74HC74的CLK端，一路送到D端，如果檢測到74HC74的Q端為高電平說明編碼器(電機(jī))的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎绻麢z測到74HC74的Q端為低電平說明編碼器的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榉础?/p>

圖3 速度反饋電路

圖4 電流反饋電路

4 控制芯片的選取與On-Chip控制分配

整個(gè)系統(tǒng)采用TMS320F28335芯片作為主控核心，該DSP芯片的主頻率可達(dá)150MHz，運(yùn)算能力強(qiáng)大，有12路PWM信號(hào)和豐富的GPIO口，128個(gè)中斷可分為三級(jí)中斷，能加快事件的相應(yīng)速度[5,6]。TMS320F28335片上資源非常豐富，合理有效的分配片上資源可以大大地提高系統(tǒng)的工作效率以及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其控制資源分配如表1所示。

表1 控制資源分配

5 按鍵與顯示及報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用四個(gè)獨(dú)立按鍵控制電機(jī)速度給定和啟停，通過12864顯示出電機(jī)的轉(zhuǎn)速、當(dāng)前工作狀態(tài)及相應(yīng)的定子電流值等，這樣的設(shè)計(jì)一目了然,可以很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。一旦出現(xiàn)欠壓、短路等故障，DSP會(huì)使能中斷使電機(jī)停止運(yùn)行，并控制外設(shè)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，其具體電路如圖5所示。

圖5 按鍵及12864顯示電路

6 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

三相交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。當(dāng)DSP得電后，立即開始初始化，同時(shí)關(guān)閉總中斷，初始化完成后打開終端，開始實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和三相電流值，以便給出合理的控制矢量，一旦外界有中斷召喚(出現(xiàn)短路、系統(tǒng)欠壓等)，立即暫停當(dāng)前的任務(wù)進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)進(jìn)行響應(yīng)。

7 結(jié)語

本文在自己多年來的實(shí)踐心得和閱讀大量的碩博論文、期刊、文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，選擇TMS320F28335為主控芯片、PM100CSA120為功率模塊，通過SVPWM控制方法對三相交流電機(jī)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于DSP的交流調(diào)速系統(tǒng)。

圖6 三相交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主流程圖