基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统设计与实现

　　1 前言

　　在石油石化行业，石油钻井中的钻机，生产现场的抽油机、风机、水泵、输油泵和泥浆泵等电机的运行都要消耗大量的电能，如何充分合理地利用电能显得非常重要。而采用变频调速技术后，节能效果非常明显。新疆克拉玛依油田多处输油泵采用变频调速装置，如采油三厂在输油泵上应用一台变频器，运行后效果良好，经仪表测试，采用变频调速后，有功节电为65.73%，无功节电为78.79%，功率因数达到0.99。据实际运行统计，变频调速输油节电率为46.83%，316天后可收回全部投资。湖南长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵采用100kVA变频器后，输出功率由18.6kW降至7.2kW，节电61.3%[3]。在我国，异步电机的变频调速系统有巨大的市场潜能。

　　本文以TMS320LF2407A DSP芯片为控制核心对高性能矢量控制变频调速系统进行了硬件和软件设计，最后对整个系统进行了实验研究。

　　2 异步电机的矢量控制技术

　　异步电机在三相静止坐标系下的数学模型很复杂，关键是由于其复杂的磁链关系。因此，要简化数学模型，必须通过坐标变换将异步电机的数学模型从三相静止坐标系上变换到两相同步旋转坐标系上。从三相静止坐标系(ABC坐标系)到两相静止坐标系(0ab坐标系)的变换称为Clarke变换，从两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系(OMT坐标系)的变换称为Park变换。

　　矢量控制也叫磁场定向控制，通过坐标变换，在两相同步旋转坐标系上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量ism 和产生转矩的转矩电流分量ist，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样，交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了，这就是矢量控制的核心思想[1]。

　　3 系统组成

　　基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统结构图如图1所示。它包含主电路、控制电路和保护电路三大部分，具体由整流滤波模块、逆变模块、IPM保护模块、三相异步电动机、电压、电流和转速检测模块、显示模块、主控制模块、DSP与PC机通信模块等组成。

　　图1 基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统结构框图

　　系统主电路采用典型的交—直—交电压型变频器结构。整流环节采用三相桥式不可控整流模块，逆变电路采用三菱公司的智能功率模块(IPM)PM25RSB-120作为功率器件，中间直流环节利用大电容滤波。系统控制电路包含两个部分，即TMS320LF2407A DSP核心电路和基于核心电路的外部扩展电路。DSP核心电路负责整个系统的控制和具体的算法实现功能，外部扩展电路主要完成电压、电流和速度信号的检测，数据显示以及DSP与PC机通信等功能，并对IPM发出的各种故障信号进行综合处理形成总的故障信号送入TMS320LF2407A的故障中断入口。上位机(PC机)部分采用Visual Basic编写通信界面，主要负责转速(频率)和磁通的给定以及调速系统故障显示等功能。