dsPIC30F6010雙閉環(huán)矢量法在電機控制中的應用

摘要：基于dsPIC30F6010芯片，采用全數字雙閉環(huán)矢量法控制三相交流異步電動(dòng)機，研究找出實(shí)現三相交流異步電機控制的實(shí)用方法。實(shí)驗結果表明，電機起動(dòng)快速、運行平穩，具有較寬的調速范圍，精度較高，當測量轉速達到1000 r/min以上時(shí)，轉速精度小于等于0.8%，滿(mǎn)足了三相交流異步電動(dòng)機的調速控制需求。

引言

長(cháng)期以來(lái)，交流異步電動(dòng)機的調速是一個(gè)難題。直到20世紀70年代，由于計算機的產(chǎn)生，以及新型快速電力電子元件的出現，才使得交流異步電動(dòng)機的調速成為可能。交流電機變頻調速是當今節約電能、改善生產(chǎn)工藝流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及改善運行環(huán)境的一種重要手段。

以兼具單片機控制性能強、價(jià)格低廉的特點(diǎn)和DSP運算優(yōu)點(diǎn)的dsPIC30F6010作為控制芯片，采用全數字雙閉環(huán)矢量法控制三相交流異步電動(dòng)機，是目前開(kāi)發(fā)研究的熱點(diǎn)，對變頻器的改進(jìn)和三相交流異步電動(dòng)機的控制具有一定的參考價(jià)值。

1 三相交流異步電動(dòng)機的數學(xué)模型

在靜止α、β坐標系統中，異步電機狀態(tài)方程為：

其中：Rs為定子繞組電阻;P為微分算子;Rr為轉子繞組電阻;Ls為α軸定子和轉子繞組等效電感;ωr為轉子角速度;Lr為β軸定子和轉子繞組等效電感;Lm為α、β坐標系統中定子與轉子間同軸等效繞組間的互感。

電機的電磁轉矩方程為：

因此，檢測兩相電流iα與iβ可以根據矩陣表達式(4)計算定子靜止兩相電流分量iα與iβ，稱(chēng)為Clarke變換。相反，如果已經(jīng)知道定子靜止兩相電流分量iα與iβ，那么就可以進(jìn)行Clarke逆變換。

2 控制系統硬件結構設計

開(kāi)發(fā)板采用美國微芯公司的dsPICDEM 1.1電機開(kāi)發(fā)板，如圖1所示。主芯片是dsPIC30F6010，具有液晶顯示模塊;A/D轉換功能接口;LED、開(kāi)關(guān)、按鍵、電位器和溫度傳感器;編碼器接口;RS232串口;捕捉接口;RS485端口;晶振為7.372 8 MHz;支持MPLAB ICD2和MPLAB ICE 4000仿真器，配套IDE軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

系統硬件結構如圖2所示。速度傳感器用來(lái)檢測速度;控制器是用來(lái)接收檢測的定子電流信號和速度信號，發(fā)出PWM信號;驅動(dòng)電源用來(lái)檢測定子電流信號、做交-直-交的變換來(lái)控制電機。

3 控制系統的軟件設計

3.1 開(kāi)環(huán)控制結構設計

通過(guò)dsPIC30F6010的軟件，設定載波頻率為10～20kHz(這個(gè)頻率段正弦逼近程度是最好的，而且在IPM開(kāi)關(guān)頻率之內)，該控制器的MCPWM模塊的三對PWM口(H為高端接IGBT的上橋臂，L為低端接IGBT的下橋臂)，采用中心對齊模式發(fā)出PWM控制信號(該配置將在每一個(gè)周期內產(chǎn)生兩個(gè)線(xiàn)一線(xiàn)脈沖，有效開(kāi)關(guān)頻率加倍，紋波電流減小，同時(shí)并未增加功率器件的開(kāi)關(guān)損耗)。通過(guò)死區寄存/4，所以4倍頻PLL 后，Fcy=Fosc)。

啟動(dòng)采用SVPWM開(kāi)環(huán)控制。本文選用七段式電壓空間矢量PWM波形，由3段零矢量和4段相鄰的兩個(gè)非零矢量組成，3段零矢量分別位于PWM波的開(kāi)始、中間和結尾。其中每個(gè)扇區Ux、Ux±60的選擇順序為第0扇區，Ux=U0、Ux±60=U60;在第1扇區，Ux=U120、Ux±60=U60;在第 2扇區，Ux=U120、Ux±60=U180;在第3扇區，Ux=U240、Ux±60=U180;在第4扇區，Ux=U240、 Ux±60=U300;在第5扇區，Ux=U0、Ux±60=U300。七段式SVPWM的PWM波形如圖3所示。

3.2 閉環(huán)控制結構設計

閉環(huán)子程序用來(lái)完成矢量雙閉環(huán)控制程序流程如圖4所示。

4 實(shí)驗研究

實(shí)驗用的是YS-7124系列鼠籠式三相交流異步電動(dòng)機，其中功率為370 W，額定電流為1.94/1.12 A，額定電壓為220/380V，額定頻率為50Hz，額定轉速為1400r/min，效率為69.5%，功率因數為0.72，堵轉轉矩/額定轉矩為2.4，堵轉電流/額定電流為6，最大轉矩/額定轉矩為2.4。

4.1 開(kāi)環(huán)實(shí)驗

從圖5和圖6中可以看出，每?jì)上嚯妷旱南辔徊钍?20°。從表1中可以看出，電機從2Hz開(kāi)始轉動(dòng)，在10Hz以后速度接近理論值，在達到額定頻率時(shí)轉速略高于額定轉速1400r /min。電機在低頻下運行不穩定的原因在于頻率較低時(shí)，電壓下降過(guò)大，造成臨界轉矩下降。與硬件設備相同的(本試驗設備)，調制度為1時(shí)的5 Hz開(kāi)始轉動(dòng)的SPWM控制相比，前者的電壓利用率要高。對于角接三相異步電機，驅動(dòng)電源外接220 V交流電，當SPWM調制度為1時(shí)，相電壓的有效值最大為110V，角接相電壓等于線(xiàn)電壓。實(shí)際測得SVPWM在50 Hz下的電壓是120 V。SVPWM的電壓利用率比SPWM高，調速范圍寬，證明矢量控制采用SVPWM技術(shù)具有優(yōu)越性。

電機的速度在25個(gè)PWM周期(2.5 ms)調節一次，啟動(dòng)運行時(shí)間大約為0.6 s(可根據要求調整)，實(shí)驗圖形表明：上升時(shí)間tr大約在0.11 s，峰值時(shí)間tp在0.6 s左右，超調量Mp大約為12%，有3次振蕩，調整時(shí)間ts為0.84 s左右，在1000 r/min穩定時(shí)最大誤差為1.5%。

4. 2 閉環(huán)實(shí)驗

單閉環(huán)控制速度圖如圖7所示，矢量控制轉速圖形如圖8所示。

從矢量的實(shí)驗現象可以看出，電機在空載的條件下，調速范圍較寬，能達到50～1400 r/min，系統能夠快速、穩定地達到設定值，整個(gè)系統能很好地實(shí)現電機的正轉、停止、反轉等功能。

可以看出，矢量控制雙閉環(huán)的速度波動(dòng)比啟動(dòng)運行時(shí)的電機速度波動(dòng)要小，而且在同一PI調節參數下，速度調節要比單閉環(huán)更平穩。

電機的速度在25個(gè)PWM周期(2.5 ms)調節一次，啟動(dòng)運行時(shí)間大約為0.6 s(可根據要求調整)，上升時(shí)間tr大約在0.3 s，峰值時(shí)間tp在0.8 s左右，超調量Mp非常小，大約為0.1%，幾乎無(wú)振蕩，調整時(shí)間ts為0.84 s左右，電流變化也較小，并且穩定后接近正弦波形，矢量控制電機運行非常穩定，因編碼器干擾等原因速度值存在2%以下的誤差(50～1400 r/min)。對比單純的SVPWM開(kāi)環(huán)控制在1000 r/min的誤差2%，單閉環(huán)的1.5%，矢量雙閉環(huán)控制系統在1000 r/min時(shí)，實(shí)際最大誤差僅為0.8%，而且雙閉環(huán)的超調量要遠遠小于單閉環(huán)，且無(wú)振蕩。dsPIC30F6010指令多為單周期指令，所以運行速度也快，從而可以看出本控制系統的優(yōu)越性。

結語(yǔ)

通過(guò)研究，驗證了dsPIC30F6010應用在電機控制上的可靠性和優(yōu)越性，找到了一種適用于三相交流異步電動(dòng)機全數字、高性能的通用方法。從實(shí)驗結果可以看出，這種基于dsPIC30F6010的三相交流異步電動(dòng)機的控制系統在交流調速和制作變頻器方面具有一定參考價(jià)值。