1 引言近20年来，随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频技术取得了巨大的技术进步[1]。变频调速技术的出现使交流调速系统有取代直流调速系统的趋势。但是国民经济的快速发展要求交流变频调速系统具有更高的调速精度、更大的调速范围和更快的响应速度，一般的通用变频器已经很难满足工业应用的需求，而交流电机矢量控制调速系统能够很好的满足这个要求。作为交流异步电机的一种控制方式，矢量控制技术已成为高性能变频调速系统的首选方案。与v/f控制技术相比，矢量控制技术具有控制精度高、低频特性优良、转矩响应快的优点。与传统spwm调制相比，svpwm调制具有转矩脉动小、噪声低、直流电压利用率高等优点，目前已在变频器产品中得到了广泛的应用。本系统以ti公司的电机控制专用芯片tms320lf2407为核心，采用转速和磁链都闭环的直接矢量控制策略和svpwm控制技术，整个系统结构简单，实现方便[2]。仿真结果表明，该矢量控制系统控制性能和精度优良。
2 矢量控制概述图1是采用转子磁场定向的直接矢量控制系统的原理框图。若使两相d-q坐标系与转子磁链同步旋转，并进一步将d轴取在转子磁链方向上，则转子磁链与转矩分别由定子电流的励磁分量isd和转矩分量isq独立控制，当转子磁链幅值保持恒定时，系统可实现转矩与转子磁链的解耦控制[3]。该矢量控制系统用于定向的转子磁链位置角由电流转速磁链观测器模型进行估计。
图1 直接矢量控制系统原理结构图
3 系统硬件设计本文研究的通用变频器采用交-直-交电压源型主电路结构形式，以ti公司的tms320lf2407 dsp为控制核心[4]，硬件电路分为：主电路部分、控制电路部分、检测及保护电路部分。通用变频器控制系统的硬件结构如图2所示。以下将详细介绍系统中各部分电路的功能及实现方法。
图2 通用变频器控制系统的硬件结构
4 系统软件设计本系统的软件由主程序和中断服务子程序构成。主程序主要完成系统初始化、各模块初始化以及中断系统设置等工作。中断服务子程序是系统的核心部分，包括串行中断服务子程序、pwm中断服务子程序、键盘显示中断服务子程序和故障保护中断服务子程序。串行中断子程序负责电机参数的接收以及上位机转速的给定。pwm中断子程序负责a/d转换、速度计算、坐标变换、svpwm波形生成等[5]。该系统的软件流程图如图3和图4所示。
图3 主程序流程图
图4 故障中断子程序流程图
4.1 svpwm的dsp实现ti公司的tms320lf2407非常适合用于生成svpwm。这是因为它除了具有dsp运算速度快等共同特点外，它还具有以下特点：内置有两个事件管理模块(eva和evb)，每个模块都自带有生成svpwm的硬件电路。每个事件管理模块可同时产生多达8路的pwm波形。由3个带可编程死区控制的全比较单元产生独立的3对(6路)，以及有gp定时器比较产生的2个独立的pwm输出[6]。eva模块的生成svpwm的硬件电路如图5所示。
图5 tms320lf2407生成svpwm的硬件结构图
从图5可以看出，pwm的生成是由事件管理器模块的各寄存器进行控制的：actr[12～15]确定当前主矢量，其值是根据输出电压的位置查转换模式表得到；t1con[11～12]确定生成的pwm波是对称波形还是不对称波形；由dbtcona设定死区时间，设定范围为0～16us；comcona[12]为空间矢量模式选择位；comcona[9]是比较输出使能位，0表示高阻态(即输出禁止)，1表示输出使能。3个比较寄存器cmprx(x=1,2,3)的值由主、辅矢量和零矢量的作用时间(t1、t2和t0)决定，当定时器的计数值等于cmprx(x=1,2,3)的值时，就会改变空间矢量的控制信号输出。
5 实验仿真仿真电机参数如下：p=3kw，np=2，nn=1420r/min，ten=21.45n·m，r1=1.898ω，r2=1.45ω，l1=196mh，l2=196mh，lm=187mh，j=0.0067kgm2，t2=135.2ms。逆变器的直流侧电压vdc=540v，pwm波的周期t=0.0001s，转子磁链给定值为1wb。仿真时采用ode23t算法，仿真时间为1s。(1)电机空载起动，初始转速给定为1400r/min，0.5s时将给定转速降为500 r/min，其转速响应波形如图6所示[7]。
图6 转速波形
(2)给定转速1400r/min，电机带10n·m负载从静止起动，0.5s时突加至额定负载。其转速、三相定子电流、电磁转矩、转子磁链的波形如图7～图9所示。
图7 转速波形
图8 电磁转矩
图9 定子三相电流波形
从仿真波形可以看出，电机转速在0.12s左右达到稳定，转速超调量小于8.5%，稳态无静差；当电机突加负载扰动时，转速能迅速恢复稳态，且超调小，转矩响应快。
6 结束语本文所设计的矢量控制系统充分利用了dsp的高速运算能力和丰富片内外设资源，使系统外围电路少，结构紧凑，可靠性高。仿真结果表明，该矢量控制系统控制精度高、实时性好、动态响应快。
作者简介靳慧(1986-) 女 硕士研究生，专业方向为电气工程。
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作 者：中国矿业大学 信息与电气工程学院 / 靳 慧 / 史丽萍 / 温树峰
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