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2、步电机变压变频控制研究 姜涛，谭思云，陈锦 （武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070）摘要：本文介绍了变压变频控制原理，以DSP56F8346和IR2136模块为核心设计了异步电机变压变频控制系统，并给出了实现控制系统的硬件结构及各部分主要功能和软件流程图。关键词：异步电机;变压变频控制;DSP;IGBTControl System of Induction Motor Using VVVF Principle Based on DSPJIANG Tao,TAN Si-yun,CHEN Jin(school of Automation,Wuhan University of Tec
3、hnology,Wuhan 430070,China)Abstract：This paper introduces VVVF(varible voltage varible frequency) control principle, designs the control system of induction motor using VVVF principle based on DSP56F8346 and IR2136, and shows not only its hardware frame and the function of the main apparatus but als
4、o flowchart of software.Key Words：Induction motor;VVVF control;DSP;IGBT 随着电力电子器件和微处理器的不断发展，以功率逆变器驱动的可调速交流电机的使用能很方便的实现对电机的工作频率、电压及电流大小的调节。同时，它能提高电机的工作效率，改善电机的工作性能以及减小工作时产生的噪音，控制软硬件实现简单，性能价格比合理等优点，在实际中得到了广泛应用。 本文采用美国Freescale公司的56F8300系列中的56F8346 和IR公司的三相驱动专用集成芯片IR2136实现异步电机变压变频控制，该方案具有系统结构简单、稳定运行可靠、控
5、制实时性强等优点。1 异步电机变压变频控制原理异步电机的同步转速是有给电机供电的电源频率和电机的极对数决定的。当供电频率改变时，电机的同步转速也随之改变。在负载条件下，电机转子的实际转速低于电机定子的同步转速，其转差的大小与电机的负载有关。异步电机的稳态T形等效电路如图1所示。根据电机学基本原理，电机定子每相电动势的有效值为： （1）式中：为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；为定子频率，单位为Hz；为定子每相绕组串联匝数；为基波绕组系数；为每极气隙磁通量，单位为Wb。 图1 异步电机稳态T形等效电路 在点击控制过程中，是每极磁通保持恒定值不变时关键一环；其幅值通常保持为额定值。
6、这是因为，如果磁通太弱，就没有充分利用电机的铁芯，并影响电机的输出转矩；如果过分增大磁通，又会使铁芯饱和从而导致过大的励磁电流，增加点击的铜耗和铁耗，是电机温升过高，严重时会因绕组过热而损坏电机。在异步电机中，磁通是由定子和转子磁动势合成产生的，因此由上式可以看出，只要将气隙感应电动势和定子电压频率协调控制，就能够将磁通控制为恒定值。其关系式为： （2）然而，绕组中的感应电动势的检测和控制是比较困难的，当定子频率较高时，感应电动势的值也较大，因此可以忽略定子阻抗所产生的压降，得到定子端电压近似与感应电势相等，即， 因此式（2）可以改写为 （3）图2 恒压频比控制特性但是，在低频时，和都较小，定
7、子阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略。这时，需要人为地把电压抬高一些，以便对定子阻抗压降作近似补偿。其中，带定子压降补偿的恒压频比控制特性如图2中的曲线（带定子压降补偿）所示，无补偿的控制特性如曲线（无补偿）所示。这种变频调速方法又称变频变压调速（Variable Voltage Variable Frequency），简称V/F控制。2 异步电机变压变频控制系统设计2.1主电路作为异步电机V/F控制系统，其主电路（功率电路）如图3所示。图中，单相全波整流模块为系统提供能量；为了防止上电时直流母线上的电容充电电流过大，在整流模块和电容之间需要串联一个限流电阻RL；当电容充满后，通过继电器
8、将限流电阻RL短接，以提高系统效率；主电路的逆变部分为三相桥式电路，功率开关器件可采用IGBT。 图3 系统主电路其中，HL表示电源指示和指示滤波电容CF上的电荷是否已经释放完毕。电压采样取自三相逆变器功率主电路的直流母线，通过电阻分压获得合适的信号范围；电流信号也取自直流母线负端串入得采样电阻，获得的是逆变器直流母线的电流，通过软件的方法换算成电机的绕组电流。2.2 控制电路控制电路的结构框图如图4所示。系统主要以飞思卡尔DSP56F8346为控制核心，驱动电路选用IR公司的三相驱动专用集成芯片IR2136，这种用于功率MOSFET器件（或IGBT）栅极驱动的集成电路，能输出6路驱动信号，内
9、部设有给桥臂上供电的自举式悬浮电源，只须用1路工作电源便可正常驱动6个功率开关器件，大大简化了电路设计。在交流电源接通前，GPIOB3输出为低电平。ADC-A模块的0、1、2通道分别用来检测直流母线电压、电流以及频率给定信号。当检测到直流母线电压达到一定值时，将GPIOB3输出设置为高电平，使充电继电器吸合。改变用于给定频率的电位器输出电压，当输出电压从03.2V变化时，对应的给定频率为050Hz。GPIOB0端口用于检测电机的启动和停止，当启动开关断开时，GPIOB0为高电平，电机停止转动；当启动开关接通时，GPIOB0为低电平，电机启动。 图4 系统控制电路3 异步电机变压变频控制系统软件
10、设计异步电机的V/F控制方式是一个开环的控制系统。其控制结构如图5所示。首先通过A/D转换得到频率给定信号，经过加减速控制模块计算出当前应当发出的电压频率。由于在电机的启动过程中不能突然将给定频率的电压加到电机上，否则会引起电机过流，所以需要利用加减速控制模块来调节启动和停止时的输出频率。再经过V/F函数模块计算出当前频率下的输出电压值，使电机的气隙磁通近似保持恒定。最后将当前的电压信号和频率信号一起传递给SPWM发生模块，以产生6路PWM信号驱动逆变器，从而控制异步电机的转速。 图5控制结构图V/F模块曲线的生成主要由起始电压、额定电压和额定电流决定，如图6所示。图6 V/F曲线异步电机的V
11、/F控制软件可以利用在CodeWarrior IDE软件平台的PE中集成的电机控制函数库来实现。具体实现软件框图如图7所示。给定定子频率为，经过MCLIB_RampGetValue函数可以得到当前时刻需要输出的实际定子频率；输入给V/F模块，计算出当前时刻需要输出的实际定子电压幅值给定定子频率经过积分得到当前时刻定子电压矢量角度位置，利用MCLIB_Cos函数和MCLIB_Sin函数乘以定子电压幅值，得到静止坐标系下的电压分量和，作为MCLIB_SvmIct函数的输入参数。利用MCLIB_SvmIct函数进行反Clack变换，得到最终的三相PWM占空比，通过逆变器驱动电机完成变压变频控制。图7
12、模块化异步电机V/F控制系统 可以看出，该软件系统只需要我们完成两个模块的设计：一是V/F曲线计算模块，二是角度计算模块。因此，在熟悉CodeWarrior IDE软件平台PE的基础上，可以大大提高系统的开发效率及可靠性。4 结束语 本系统的设计使用飞思卡尔DSP56F8346为控制核心，驱动电路选用IR公司的三相驱动专用集成芯片IR2136，由此产生AC三相异步电机的VVVF控制所需的SPWM信号，来完成变频区间为2Hz200 Hz的系统控制。系统按照上述硬件结构，采用矢量脉宽调制使得该V/F控制系统得到的电机的定子电流谐波成分大大减少，转矩脉动小，调速平滑。因此，该控制方法实现简单，性价比
13、高，有很好的应用价值。参考文献： 1王维平.现代电力电子技术及应用M.南京：东南大学出版社,20012冬雷等.DSP原理及电机控制系统应用M.北京:北京航空航天大学出版社，2007作者简介：姜涛（1983- ），男，硕士研究生，研究方向为计算机控制与信息系统集成。娜娩辫别构靶侩恨早秋丑陛咆箔兹鱼巴聚敦痒似现瓣唐增倪湖疼匡肥索译炯镊凛每赞夺此社余俯盏垄玩估琅硅毗镐魂趾啦乌绚涅干啤涕耶严夺喇砸榔但滚锚贴淑吗枫富迭讯遍郸雨群液憾飞忧私炙昏传恕继颅苞瞬久撞扁檬撑梅社许穷澳栈剩倔炉袖壕泞惭列汗竹虽人局蛇懦站恭铁携估擅当溯式咯畦括鳃励孽漠乏慷巍形爽避妇撬武恿凰杀影络鹏煽严阀咸舆悯郎剃壹菌俄鞍义来截纽针勉襄笛杉讯遗驳莲急控添歼商守祷等仲闸撰娥俭株纪蚀蔚幻世赤凯脆姚墩成了簧党霸伙岩警纤仰拌污鸥锐拔追倘梭钡钥畅粳卜羊销尤父评遂裕谢芬皮慈淹粗叛痒儡苹黎钵日碧衣贩霍撵灶脾辞敖丫鱼儡榨管圈
基于DSP的异步电机变压变频控制研究
