基于DSP的交流異步電機高精度調速系統設計

摘要：針對交流異步電機的特性，設計了一套基于DSP的交流異步電機高精度調速系統。系統應用矢量控制技術作為系統的總體控制方案，以TI公司電機控制專用的高速數字信號處理器(DSP)TMS320F2812為系統的核心處理器，三菱電機公司的PS21246智能功率模塊(IPM)為逆變器件，在此基礎上運用空間電壓矢量脈寬調制技術和模糊PI控制算法，構建了一個基于TMS320F2812 DSP的交流異步電機高精度控制平臺。
關鍵詞：DSP；IPM；矢量控制；SVPWM；模糊PI

近20年來，隨著新型電力電子器件的出現，控制器也實現了從8位單片機到32位DSP的轉變，特別是新型控制方法的出現，如：矢量控制、直接轉矩控制以及模糊控制等，使得高精度交流異步電機調速系統實現成為可能。矢量控制具有轉矩平滑，調速范圍寬的特點。空間矢量脈寬調制技術(space vector PWM，SVPWM)物理概念清晰，電機脈動轉矩小，直流電壓利用率高，且易于實現。本文設計并實現了一套基于DSP的高精度交流調速系統，系統采用高速DSP芯片TMS320F2812作為核心，基于矢量控制與SVPWM相結合的控制方式，利用TMS320F2812芯片的事件管理器模塊(event manager，EV)產生對稱SVPWM脈沖，逆變器則采用智能功率模塊(intelligent power module，IPM)，保證了系統可靠性。在此基礎上綜合模糊PI控制算法，最終設計并構建了基于DSP的高精度交流調速系統。

1 系統的硬件總體設計
系統為基于高性能處理器的全數字交流調速系統，利用處理器實現對電機的速度環和電流環控制，與傳統的模擬調速系統相比，有著結構簡單、功能靈活多樣、抗干擾能力強等優點。圖1為交流調速系統的結構框圖。

系統由弱電控制、強電驅動以及信號采集3部分組成。弱電控制部分是系統的控制核心，其完成對電機的控制、信號量的設定。強電驅動部分是由逆變電路、三相整流橋和三相交流電源組成，其將不可控的三相交流電轉化為頻率可控的三相交流電來驅動電機。信號采集部分則由電流、測速傳感器組成，負責對電機進行電流和轉速的檢測，為系統提供反饋信號。以上3部分有機的組合在一起就構成了一個高精度交流電機調速系統。

2 主要硬件芯片的選型及相關電路設計
2．1 DSP芯片的選型
主處理器選擇了TI(美國德州儀器)公司的TMS320F2812芯片，F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片，最高可在150 MHz主頻下工作。F2812片內集成眾多資源：存儲資源FLASH、RAM；標準通信接口，如串行通信接口(SCI)、串行外設接口(SPI)、增強型eCAN總線接口，方便與外設之間進行通信。在F2812內部還集成了一個12位的ADC轉換模塊，最高采樣速率達12．5 MS／s；F2 812片上還包括事件管理器(EV)、定時器、看門狗以及大量的用戶可開發利用的GPIO口等資源。該芯片具有很高的性價比，廣泛應用于工業控制，特別是應用于處理速度、處理精度方面要求比較高的領域，十分適合于本文的高精度電機控制系統。
2．2 逆變電路
逆變電路將整流后的直流電變成可控的交流電，考慮系統的安全性和穩定性要求，此部分采用模塊化的設計思想，即選擇智能功率模塊IPM作為功率器件。
IPM是一種先進的功率開關器件，具有高電流密度、低飽和電壓、耐高壓、高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率等優點。IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，不僅減小了系統的體積以及開發時間，也增強了系統的可靠性。
系統采用了日本三菱電機的PS-21246系列的IPM智能功率模塊。當IPM發生故障時，FO引腳輸出低電平，產生PDPINT功率保護中斷，實現保護。