摘要；介紹一種基于dsPIC30F6010芯片采用全數字雙閉環(huán)矢量法控制三相交流異步電動機控制系統(tǒng)的結構及軟硬件設計方案。以dsPIC30F60 10芯片為CPU的開發(fā)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的驅動電源和自制電平轉換板，構建了一個異步電動機的矢量控制系統(tǒng)。試驗結果表明，電機起動快速，運行平穩(wěn)，具有較寬的調速范圍，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(fā)展，為交流電氣傳動產品的開發(fā)創(chuàng)造了條件，使得交流傳動逐步具備了寬調速范圍、高精度、快速動態(tài)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，在生產和生活中占有重要地位。而交流三相異步電動機以其結構簡單、制造方便、運行可靠、價格低廉和控制靈活等特點在交流電機中居于主導地位。隨著高性能數字處理芯片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。本論文采用DSC(數字信號控制器)，它屬于嵌入式控制器，集成了單片機(MCU)的控制功能以及數字信號處理器(DSP)的計算能力，而且價格便宜。

1 系統(tǒng)硬件設計
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復雜，關鍵是由于其復雜的磁鏈關系。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系上。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，從兩相靜止坐標系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系上，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，并使兩分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調節(jié)。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 硬件系統(tǒng)方案
    本系統(tǒng)采用美國微芯公司的dsPICDEM1．1電機開發(fā)板，主芯片是dsPICD30F6010?？偨Y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(fā)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。

1．3 dsPIC30F6010芯片簡介
    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；軟件堆棧；快速、穩(wěn)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。該芯片工作電壓為5 V；-40～85℃時，最高運算速度為30MIPS。本系統(tǒng)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采用交-直-交方式，也就是先將交流電轉變?yōu)橹绷麟?整流、濾波)，再將直流電轉變成頻率可調的交流電(逆變)。
    驅動電源部分采用上海嘉尚電子的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
    由于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范圍是-4～4 V，而dsPIC的A／D轉換參考電壓范圍是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
    速度傳感器采用長春禹衡生產的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，VL<0．5；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。

2 系統(tǒng)軟件設計
    軟件設計根據前面介紹的控制策略、硬件系統(tǒng)進行編程、調試，主要完成以下功能：矢量控制的主程序、PWM時基中斷子程序、A／D轉換完成中斷子程序、故障處理中斷子程序、速度和電流的PI調節(jié)等。

    矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)方案如圖2所示。閉環(huán)子程序如圖3所示，具體思想如下：
    (1)通過霍爾電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流iA，iB，經過dsPIC30F6010的A／D轉換器轉換成數字量，并利用式iC=-(iA+iB)計算出。通過Clarke變換和Park變換將電流iA，iB，iC變換成旋轉坐標系中的直流分量iM，iT，其中iM，iT作為電流環(huán)的負反饋量。
    (2)利用4倍頻的1 024線增量式編碼器測量電動機的機械轉角位移，并將其轉換成轉速n的PU值。轉速n作為速度環(huán)的負反饋量。
    (3)眾所周知，異步電動機的轉子機械轉速與轉子磁鏈轉速是不同步的，所以用電流-磁鏈位置轉換模塊求出轉子磁鏈位置，當定子電流M，T坐標系的分量iM，iT以及電動機的轉速n已知時，可求出轉子磁鏈位置θ，用于參與Park變換和逆變的計算。
    (4)給定轉速nref與轉速反饋量n的偏差經過速度PI調節(jié)器，其輸出作為用于轉矩控制的電流T軸參考分量iTref。iTref和iMref(采用保持恒磁，設其值為0)與電流反饋量iT，iM的偏差經過電流PI調節(jié)器，分別輸出M，T旋轉坐標系韻相電壓UMref和UTref。UMref和UTref再通過Park逆變換轉換成在α，β直角坐標系的定子相電壓矢量的分量Uαref和Uβref。
    (5)當定子相電壓矢量的分量Uαref和Uβref及其所在的扇區(qū)數已知，利用七段法電壓空間矢量SVPWM技術，產生PWM控制信號來控制逆變器。

3 系統(tǒng)測試
    本試驗用的是YS-7124系列鼠籠式三相交流異步電動機，其中功率為370 W，額定電流為1．94A／1．12A，額定電壓為220 V／380 V，額定頻率為50 Hz，額定轉速為1 400 r／min，效率為69．5％，功率因數為0．72，堵轉轉矩／額定轉矩是2.4，堵轉電流／額定電流是6，最大轉，矩／額定轉矩是2．4。
    進行了開環(huán)SVPWM控制試驗、速度單閉環(huán)SVPWM控制試驗、矢量雙閉環(huán)控制試驗。以1 000 r／min為例，定子電流如圖4所示，可以看出矢量控制雙閉環(huán)的速度波動要比啟動運行時的電機速度波動要小，而且在同一PI調節(jié)參數下，速度調節(jié)要比單閉環(huán)更平穩(wěn)。圖5是矢量雙閉環(huán)控制的速度波形，可以看出本控制系統(tǒng)速度響應快，運行平穩(wěn)，穩(wěn)定時速度誤差小，說明系統(tǒng)運行良好。

4 結論
    本文使用dsPIC30F6010芯片實現軟件全數字化，在保證控制精度的同時相比單片機免去了很多硬件，避免了硬件系統(tǒng)過于繁雜的不穩(wěn)定性，在價格上要比相應的DSP便宜。所以本系統(tǒng)即簡化了硬件電路，又節(jié)省了成本。從實驗結果看出，該系統(tǒng)速度響應快，運行平穩(wěn)，穩(wěn)定時速度誤差小，說明系統(tǒng)運行良好。