1引言
近年來交流變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，已成為調(diào)速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。1971年提出的矢量控制理論根據(jù)磁動勢等效原則，應用坐標變換將三相系統(tǒng)等效為二相系統(tǒng)，再經(jīng)過按磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達到對交流電機的磁鏈和電流分別控制的目的。這樣就可將一臺三相異步電動機等效為直流電機來控制，因而獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。
2矢量控制的原理
矢量控制也稱為磁場定向控制，其基本思路是模擬直流電機來控制，根據(jù)磁動勢和功率不變的原則通過坐標變換，將三相靜止坐標變換成兩相靜止坐標(即 Clarck變換)，然后通過旋轉(zhuǎn)變換將兩相靜止坐標變成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(即 Park變換),在 Park變換下將定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分量iM ,iT(其中iM稱為勵磁電流分量, iT為轉(zhuǎn)矩電流分量)，并對其分別加以控制。控制 iM就相當于控制磁通，而控制 iT就相當于控制轉(zhuǎn)矩。通過解耦，控制交流電動機和控制直流電動機一樣方便，圖 1所示為矢量控制的結(jié)構(gòu)框圖。
3電壓空間矢量 SVPWM的原理
空間電壓矢量調(diào)制法是以三相對稱正弦波電壓供電時交流電機的理想磁通圓為基準，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準圓磁通，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，形成 PWM波形。位于同一橋臂的功率管的導通狀態(tài)是相反的。當位于同一橋臂的上面的功率管導通時，下橋臂的功率管一定是關(guān)斷的。假設功率管導通狀態(tài)為1，關(guān)斷狀態(tài)為0，我們只通過上橋臂功率管的開關(guān)狀態(tài)（這里表示成開關(guān)向量[ a，b，c]T，可以推
假定 Uout處于1 0扇區(qū)中，定義 T1、T2和T0分別為向量 V4、V6、V0(或V7)的持續(xù)時間，T為載波 PWM的周期。由以下兩式可算出 T1、T2和 T0：
4系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
該系統(tǒng)采用交-直-交電壓型變頻電路。主電路由整流電路、濾波電路、開關(guān)電源電路、電流檢測電路及智能功率模塊 IPM逆變電路等構(gòu)成。主電路的整流部分是由不可控二極管組成的，在設計主電路的時候，選用了智能型器件IPM。IPM是 IGBT智能化功率模塊，它將IGBT芯片、驅(qū)動電路、保護電路等封裝在一個模塊內(nèi)，不但便于使用，而且大大有利于裝置的小型化、高性能化和高頻化，設有過流和短路保護，欠電壓保護。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖4。系統(tǒng)控制電路以 TMS320F2812芯片為核心,外擴 RAM構(gòu)成功能齊全的矢量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)由上位機通過通信接口下傳給下位機，DSP負責采樣各相電流，計算電機的轉(zhuǎn)速和位置，最后運用矢量控制算法，得到 SVPWM控制信號，經(jīng)過光耦隔離電路后，驅(qū)動逆變器功率開關(guān)器件，同時 DSP還監(jiān)控變頻系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓、過熱等故障時，DSP將封鎖SVPWM信號，使電機停止運行。
系統(tǒng)控制回路主要包括了 DSP微處理器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和控制信號I/O電路，驅(qū)動電路，保護電路等子系統(tǒng)。
5系統(tǒng)軟件設計
此系統(tǒng)中對感應電機的所有控制都是通過 F2812 的軟件來完成的。軟件程序由主程序和定時器下溢中斷子程序組成。主程序中進行硬件和變量初始化，對各個控制寄存器置初值，對運算過程中使用的各種變量分配地址并設置相應的初值。中斷子程序的工作是在每一個PWM 周期里, 計算出下一個 PWM 周期的三個比較寄存器的比較值, 并送到比較寄存器中。中斷服務子程序是系統(tǒng)的核心部分，執(zhí)行 SVPWM調(diào)制，故障處理中斷等。系統(tǒng)軟件的定時器下溢中斷程序流程見圖3。
6實驗結(jié)果與結(jié)論
結(jié)合交流電機控制系統(tǒng)，用 C語言編寫了載波頻率為2KHz，變頻范圍為0～100Hz的SVPWM控制程序。驅(qū)動的電機為三相異步電動機，定子繞組星形結(jié)法。采用 TMS320F2812每周期內(nèi)只發(fā)生一次定時器周期中斷，實時性好，而且占用 CPU較少，使CPU有很大能力去完成其它任務。圖4，圖 5為 DSP輸出的一路 SVPWM波形及調(diào)制信號 30Hz時控制器輸出經(jīng)過低通濾波后的相電壓波形。
采用 TMS320F2812和 IPM等模塊化的芯片，利用電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)構(gòu)成的感應電機矢量控制系統(tǒng)，輸出電流的諧波成分減少, 硬件電路簡單, 系統(tǒng)的動態(tài)響應、控制精度有很大提高, 復雜算法得以實現(xiàn)。采用 DSP結(jié)合先進控制算法的矢量控制系統(tǒng)在感應電機的控制中將有廣泛的應用前景。
本文作者創(chuàng)新點是應用更新一代的 DSP芯片 TMS320F2812，以及采用具有更多保護功能的 IPM來構(gòu)成控制系統(tǒng)，簡化了外圍電路，應用數(shù)字信號處理芯片實現(xiàn)軟件算法使控制精度進一步提高，響應更加快速。