基於dsPIC30F6010三相異步電動機控制系統的設計與實現

2020-11-25 電子產品世界

摘要；介紹一種基於dsPIC30F6010晶片採用全數字雙閉環矢量法控制三相交流異步電動機控制系統的結構及軟硬體設計方案。以dsPIC30F60 10晶片為CPU的開發板、光電編碼器、三相交流異步電動機、經過改進電流傳感器的集成IPM的驅動電源和自製電平轉換板，構建了一個異步電動機的矢量控制系統。試驗結果表明，電機起動快速，運行平穩，具有較寬的調速範圍，精度較高，滿足了對三相交流異步電動機的調速控制。
關鍵詞：三相交流異步電動機；dsPIC30F6010；矢量法控制；光電編碼器

0 引言
20世紀80年代開始，電力電子、計算機技術和自動控制理論發展，為交流電氣傳動產品的開發創造了條件，使得交流傳動逐步具備了寬調速範圍、高精度、快速動態響應及四象限運行良好的技術性能。今天，電動機已經成為最主要的動力源，在生產和生活中佔有重要地位。而交流三相異步電動機以其結構簡單、製造方便、運行可靠、價格低廉和控制靈活等特點在交流電機中居於主導地位。隨著高性能數字處理晶片DSP的廣泛應用，三相異步電動機的調速進入了一個新階段，其調速性能幾乎可以與直流電機相媲美。本論文採用DSC(數位訊號控制器)，它屬於嵌入式控制器，集成了單片機(MCU)的控制功能以及數位訊號處理器(DSP)的計算能力，而且價格便宜。

1 系統硬體設計
1．1 矢量控制
異步電機在三相靜止坐標系下的數學模型很複雜，關鍵是由於其複雜的磁鏈關係。因此，要簡化數學模型，必須通過坐標變換將異步電機的數學模型從三相靜止坐標系上變換到兩相同步旋轉坐標繫上。從三相靜止坐標系(ABC坐標系)到兩相靜止坐標系(Oab坐標系)的變換稱為Clarke變換，從兩相靜止坐標繫到兩相同步旋轉坐標系(OMT坐標系)的變換稱為Park變換。
矢量控制也叫磁場定向控制，通過坐標變換，在兩相同步旋轉坐標繫上，將電流矢量分解成產生磁通的勵磁電流分量ism和產生轉矩的轉矩電流分量ist，並使兩分量互相垂直，彼此獨立，然後分別進行調節。這樣，交流電動機的轉矩控制，從原理和特性上就與直流電動機相似了，這就是矢量控制的核心思想。
1．2 硬體系統方案
本系統採用美國微芯公司的dsPICDEM1．1電機開發板，主晶片是dsPICD30F6010。總結構如圖1所示。速度傳感器用來檢測速度；控制器用來接收檢測的定子電流信號和速度信號，發出PWM信號；驅動電源用來檢測定子電流信號、做交-直-交變換來控制電機。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/159440.htm


1．3 dsPIC30F6010晶片簡介
dsPIC30F6010包括16 b數據改良的哈佛結構；CPU具有24 b寬度指令；線性程序存儲(ROM)容量達4Mx24 b；線性隨機存儲器(RAM)容量為32Kx16 b；16×16工作寄存器陣列；軟體堆棧；快速、穩定的中斷響應；可以支持3個操作數的指令A+B=C；擴展的尋址模式。該晶片工作電壓為5 V；-40～85℃時，最高運算速度為30MIPS。本系統涉及的相關模塊有電機控制PWM(MCPWM)模塊、模數轉換(A／D)模塊、正交編碼器接口(QEI)模塊。
1．4 驅動電源的的原理和選擇
三相交流異步電動機的驅動電源設計一般採用交-直-交方式，也就是先將交流電轉變為直流電(整流、濾波)，再將直流電轉變成頻率可調的交流電(逆變)。
驅動電源部分採用上海嘉尚電子的DR15A。它內部集成IPM(內部6個IGBT)，具有過熱、過壓，過流、過載多種保護，同時還具有兩相定子電流檢測、直流母線電壓檢測和溫度檢測等功能。
1．5 電流傳感器電平轉換的設計
由於交流電機的定子相電流值按正弦變化，所以具有方向性，因此數值上有正有負。本文電流傳感器輸出電壓範圍是-4～4 V，而dsPIC的A／D轉換參考電壓範圍是0～5 V，為了能利用控制器的A／D轉換輸出正確的值，必須將檢測電流信號做電平轉移和變換。
1．6 速度傳感器的選擇
速度傳感器採用長春禹衡生產的LF型光電編碼器。主要參數如下：
A，B，Z三相輸出；5 V電壓供電；輸出電壓(單位：V)VH>3．5，VL0．5；上升時間1μs；下降時間1μs；響應頻率為0～100 Hz；最大允許轉速為6 000 r／min；啟動力矩為0．05 N·m；軸、徑向最大負載為50 N；慣性力矩為1．3×10-5N-m·s2；允許角加速度為1 000 rad ／s2。能夠滿足對速度和位置的測量。
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