摘   要： 以TMS320F2812 DSP為控制核心，設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)良的交流電機(jī)控制系統(tǒng)。其控制電路主要包括驅(qū)動(dòng)模塊、電流檢測(cè)模塊、位置檢測(cè)模塊等；采用SVPWM為控制方法的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。并且，對(duì)主驅(qū)動(dòng)電路作了電路波形仿真，證明了電路設(shè)計(jì)的可行性。
關(guān)鍵詞： 交流電機(jī); DSP; 控制電路; SVPWM; 波形; 仿真

　與直流電機(jī)相比，交流電機(jī)的可控制性有所欠缺，但其具有結(jié)構(gòu)牢固、運(yùn)行可靠、成本低廉和高效率等特點(diǎn)，使其具有在工業(yè)應(yīng)用、日常生活和科技研發(fā)等領(lǐng)域不可替代的地位。而要達(dá)到與直流電機(jī)相似的控制效果，交流調(diào)速系統(tǒng)必須采用更復(fù)雜、更有效、更新穎的控制算法，這些算法中包含了大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，這也為微處理器的發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的應(yīng)用空間。數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)和普及，無(wú)意中為實(shí)現(xiàn)這些算法鋪平了道路。
1 硬件環(huán)境
1.1 系統(tǒng)框架
　作為控制核心，DSP比單片機(jī)更具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。雖然單片機(jī)價(jià)格低廉，開(kāi)發(fā)環(huán)境完備，也具有較強(qiáng)的位處理能力。但是，DSP具有更高的集成度、更快的CPU、更大容量的存儲(chǔ)器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口，有的片內(nèi)集成了A/D和采樣/保持電路,可提供PWM輸出。更為不同的是，DSP器件為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）器件，大多數(shù)指令都能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，并且通過(guò)并行處理技術(shù)，在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成多條指令。DSP器件采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強(qiáng)的多級(jí)流水線(xiàn)，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。DSP比16 bit單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快8~10倍，完成一次乘法運(yùn)算快16~30倍[1]。DSP器件還提供了高度專(zhuān)業(yè)的指令集，提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運(yùn)算速度。此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先進(jìn)的開(kāi)發(fā)手段，批量生產(chǎn)測(cè)試更方便，開(kāi)發(fā)工具可實(shí)現(xiàn)全空間透明仿真，不占用用戶(hù)任何資源。在電機(jī)控制方面，TI公司的C2000系列適合逆變器。C2000專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了能產(chǎn)生PWM的事件管理器（EV），用戶(hù)可以方便地用來(lái)生成PWM，調(diào)節(jié)死區(qū)等[2]。
　交流調(diào)速系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)單元、電流和位置檢測(cè)單元以及交流電機(jī)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動(dòng)單元由交流電整流后的直流電供電，向交流電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)所需的三相交流電?？刂齐娐肥窍到y(tǒng)中樞，它綜合處理速度信號(hào)、速度反饋信號(hào)及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息并控制功率變換器主開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。

　系統(tǒng)選用交流電機(jī)為鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，三相定子繞組采用Y形接法，額定功率180 W,額定電壓380 V,額定電流0.6 A，同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min,額定轉(zhuǎn)差率0.066，定子相阻抗4.495 Ω，互感149 mH，轉(zhuǎn)子阻抗5.365 ?贅，轉(zhuǎn)子感抗162 mH,轉(zhuǎn)子漏抗13 mH,轉(zhuǎn)子慣量0.95×10-3kgm2。

1.2 主電路設(shè)計(jì)
　本系統(tǒng)控制電機(jī)主要是交-直-交變頻電路，主電路圖如圖2所示。

　整流濾波電路將220 V變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^(guò)逆變電路將其變?yōu)轭l率和電壓都可控制的三相交流電。串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間的電阻為限流電阻，當(dāng)變頻器剛接入電源的瞬間，將有一個(gè)很大的沖擊電流經(jīng)過(guò)整流橋流向?yàn)V波電容，使整流橋可能因此而受到損壞；同時(shí)，也可能使電源的瞬間電壓明顯下降，形成干擾。限流電阻就是為了削弱該沖擊電流而串接在整流橋和濾波電容之間的。電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管后反饋到直流電路，過(guò)高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此當(dāng)直流電壓超過(guò)一定值時(shí)，就要提供一條放生回路，將再生的電能消耗掉。這就是能耗制動(dòng)電路，在濾波電路和逆變電路之間。逆變器中每橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度差120°，任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱(chēng)為縱向換流。阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。每相并聯(lián)電容的目的是在IGBT通態(tài)時(shí)給電容充電，關(guān)斷時(shí)，電容放電，使晶體管施加反向電壓，使其關(guān)斷更加迅速，不會(huì)導(dǎo)致上下2個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通而造成直通。
1.3 雙閉環(huán)的速度、電流檢測(cè)
　測(cè)速是閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用光電編碼器。由光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，送入光耦TLP550，隔離后的信號(hào)經(jīng)過(guò)上拉電阻拉升電位后，通過(guò)帶延時(shí)的反向觸發(fā)器74HC14，送入到DSP的QEP1口;另一路信號(hào)通過(guò)同樣的電路送入DSP的QEP2口。
    系統(tǒng)中的電流檢測(cè)環(huán)節(jié)采用電流傳感器，型號(hào)為T(mén)BC02A02。該電流傳感器是利用霍爾效應(yīng)和磁平衡原理制成的一種電流傳感器，能夠測(cè)量直流、交流以及各種脈沖電流，同時(shí)在電氣上高度絕緣。經(jīng)過(guò)霍爾電流傳感器，需要檢測(cè)的電流信號(hào)按比例縮小為電壓信號(hào)，為了防止后續(xù)電路對(duì)這個(gè)電壓檢測(cè)信號(hào)的干擾，利用運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷”的原理設(shè)計(jì)電壓跟隨器。
2 空間矢量PWM技術(shù)（SVPWM）
2.1 SVPWM簡(jiǎn)介
　SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件組成的特定開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形?？臻g電壓矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM不同,它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得理想圓形磁鏈軌跡[5]。SVPWM技術(shù)與SPWM相比較，繞組電流波形的諧波成分小，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)更逼近圓形，而且使直流母線(xiàn)電壓的利用率有了很大提高，且更易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。
2.2 SVPWM基本原理
　SVPWM 的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通過(guò)對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來(lái)得到[11]。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過(guò)逆變器的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來(lái)決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而形成 PWM 波形[7,8]。
　由于逆變器三相橋臂共有6個(gè)開(kāi)關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開(kāi)關(guān)組合時(shí)逆變器輸出的空間電壓矢量。(Sa、Sb、Sc)的全部可能組合共有8個(gè)，包括 6 個(gè)非零矢量U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和兩個(gè)零矢量 U0(000)、U7(111)。
　其中非零矢量的幅值相同（模長(zhǎng)為 2Udc/3），相鄰的矢量間隔 60°，而兩個(gè)零矢量幅值為零，位于中心。在每一個(gè)扇區(qū)，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來(lái)合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，等效成：


    從相電壓調(diào)制波函數(shù)看，輸出的是不規(guī)則的分段函數(shù)，為馬鞍波形。從線(xiàn)電壓調(diào)制波函數(shù)看,其輸出的則是正弦波形。
3 仿真實(shí)驗(yàn)
3.1 SPWM仿真
    在進(jìn)行實(shí)際的電路焊接前，適當(dāng)?shù)姆抡婀ぷ魇潜夭豢缮俚?，這決定了自己設(shè)計(jì)的電路是否可行。用 “NI multisim 10”作為仿真工具對(duì)SPWM法進(jìn)行仿真。為了得到驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，必須按照一定順序通斷逆變器的6個(gè)開(kāi)關(guān)管，為此，搭建了仿真主電路，PWM產(chǎn)生電路仿真結(jié)果如圖3所示。

     以上波形,是通過(guò)三角波和正弦波疊加的結(jié)果，是控制逆變器6個(gè)開(kāi)關(guān)管的輸入信號(hào)，其中，上面3個(gè)開(kāi)關(guān)管的信號(hào)依次相差120°，上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管反相。
    圖4中從A相輸出的電壓波形經(jīng)過(guò)了逆變器和輸入的PWM波作用后，表現(xiàn)為正弦波形，B相和C相波形與A相波形完全相同，只是一次相差了120°。

3.2 SVPWM仿真
    Matlab功能強(qiáng)大,其中的Simulink工具箱可以進(jìn)行SVPWM的仿真。
    通過(guò)搭建算法的結(jié)構(gòu)圖，對(duì)算法進(jìn)行仿真，得到圖5所示的驅(qū)動(dòng)波形。從圖中可以看出，驅(qū)動(dòng)波形是占空比不斷變化的方波。

    在驅(qū)動(dòng)波形通過(guò)逆變模塊后，得到圖6所示的三相交流電。從圖中可以看出，三相電壓每一相都是一種趨于正弦波得波形，且分別相差120°，這樣就能很好地模擬旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，從而驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)。

    本文對(duì)以TMS320F2812 DSP為控制核心的交流異步控制系統(tǒng)的硬件、仿真等進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明與驗(yàn)證，對(duì)控制方法SVPWM作了比較透徹的分析和推導(dǎo)。說(shuō)明該方案具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景和研發(fā)價(jià)值，為批量生產(chǎn)和全面推廣作了認(rèn)真的鋪墊，為今后創(chuàng)造更先進(jìn)的算法和更完善的硬件打下基礎(chǔ)。但是，交流驅(qū)動(dòng)還存在一些不足和缺點(diǎn)有待改進(jìn)，算法模擬直流電機(jī)理論與實(shí)際有部分差距，這也為今后的研究制定了目標(biāo)。
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