0 引言

交流调速与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和变流技术、控制技术、电力电子技术的飞速发展密切相关的。今天，电动机已经成为最主要的动力源，在生产和生活中占有重要地位，而交流三相异步电动机以其结构简单、控制灵活等特点在交流电机中居于主导地位，随着高性能数字处理芯片DSP的广泛应用，三相异步电动机的调速进入了一个新阶段，其调速性能足可以与直流电机媲美。

1交流调速理论与电力电子器件的发展

1.1交流调速理论的发展

早期通用变频器大多数为开环恒频压比的控制方式，其优点是控制结构简单、成本较低，比较适合应用在风机、水泵上，能起到明显的节能作用。20世纪80年代初，有人提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量法(或称磁通轨迹法)，提高了动态负载下调速的精度和稳定性。矢量控制，也称磁场定向控制，它是20世纪70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出的，这种方法开创了交流电动机等效成直流电动机进行控制的先河，达到了与直流电动机不相上下的调速性能。1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque Control 简称DTC)，可以实现很快的转矩响应和很高的速度、转矩控制精度。

1.2 电力电子器件的发展

电力电子器件是现代交流调速技术的支柱，其发展直接影响和决定交流调速的发展。20世纪80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。20世纪80年代中期以后，第二代电力电子器件GTR、GTO等制造的变频装置在性价比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、集成化方向继续发展，又出现了功率场效应管、绝缘栅双极晶体管、MOS控制晶闸管等，形成第三代功率器件。20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，它将半导体功率器件和驱动电路、逻辑控制电路、检测和诊断电路集成在一块芯片上，使功率器件含有某种智能功能，因此又称为智能功率集成电路(IPM)，是现在最适合用来开发高性能变频调速装置的功率器件。

2 矢量控制算法的[\]实现

2.1公司的C2000系列DSP简介

TMS320LF2407A是T1公司C2000系列DSP中最具代表性的产品，它集成了丰富的片上资源，包括模/数转换器(A/D)、通用计时器、可编程脉宽调制(PWM)输出、可编程脉宽调制输出死区、多路信号输入捕捉(CAP)以及工业上常用的各种接口，这些丰富的片上资源，再加上DSP本身在高速数字信号处理上的优势，使TMS320LF2407A更适合在工业控制中尤其是在电机控制中应用。

2.2 矢量控制的基本原理

矢量控制是利用坐标变换将交流电动机的三相系统等效为直流电动机的两相系统，经过按转子磁场定向的同步旋转变换，从而实现对定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，达到分别控制交流电动机的磁链和转矩的目的。

Clarke变换即为三相交流电动机定子绕组A、B上的电流iA、iB与两相直流电动机绕组α、β上的电流iα、iβ的变换。根据矢量坐标的变换原则，选定三相坐标系AMT和两相直流坐标系αβ中的A轴与a轴重合,可以得到Clarke变换的变换矩阵为:

Clarke逆变换变换矩阵为:

Park变换是将两相静止直角坐标系αβ向两相旋转坐标系MT的转换:MT坐标系以定子电流角频率ωs速度在旋转,M轴与α轴的夹角为Фs，因Фs随时间在变换，Фs=ωst+Ф0，Ф0是初始角:由此得到的Park变换公式为：

式中：iM、iT——MT旋转坐标系中的直流分量。Park逆变换公式为：

2.3 矢量控制算法的软件实现

三相异步电动机采用DSP全数字控制的结构图见图1，整个程序由三部分组成：初始化程序、主程序、中断程序。

初始化程序包括硬件初始化和软件初始化。在初始化程序中!系统完成事件管理器、编码器、A/D等资源模块的初始化!并设定程序中的变量值。

图1三相异步电动机磁场定向矢量控制系统结构图

主程序对系统进行监控和保护，包括过压、欠压、功率元件故障、电机过热、IPM 过热。当出现故障时，DSP的PWM 通道将被封锁，从而使输出变成高阻态。

利用定时器1的下溢中断子程序来实现实时矢量控制。通过电流传感器检测定子电流iA、iB，经过DSP的A/D转换器转化成数字量，并利用下式计算出iC：

IC=-(iA+iB)。

通过Clarke变换和PARK变换将电流iA、iB、iC变换成旋转坐标系中的直流分量iM、iT，作为电流环的负反馈量。利用1024线的增量式编码器测量电动机的机械转角位移，并将其转换成速度n，作为速度环的负反馈量。由于异步电动机的转子机械速度与转子磁链转速不同步，所以用电流—磁链位置转换模块求出转子磁链位置θe，用于参与PARK变换和逆变换的计算。给定转速参考与转速反馈量Z的偏差经过速度PI调节器，其输出作为用于转矩控制的电流T轴参考分量iTref。iTref和M 轴参考地电流IMref与电流反馈量iT、iM的偏差经过电流PI调节器，分别输出MT旋转坐标系的相电压分量UMref和UTref。UMref和UTref再通过PARK逆变换转换成β直角坐标系得到定子相电压矢量的分量Uαref和Uβref。当定子相电压矢量的分量Uαref、Uβref和其所在的扇区已知时，就可以利用SVPWM 技术，产生PWM 控制信号来控制逆变器。程序流程图见图2。

图2 定时器下溢中断子程序

3矢量控制器的系统结构及实现

3.1 控制回路设计

变频器的控制回路见图3，包括PWM 输出电路和检测电路，PWM 信号由DSP的引脚输出，由软件产生和控制，经接口电路后与逆变电路相连。由于滤波电容的值很大，突加电压时将产生很大的充电电流。为了限制充电电流，采用限流电阻R和延时开关SA组成的预充电电路对电容进行充电，充电完成后闭合开关SA，避免正常运行时的附加损耗，电机制动时，变频器整流桥处于整流状态，逆变器也处于整流状态，此时异步电动机进入发电状态，整流桥和逆变器都向电容C充电，当中间直流电压升高到一定值时，通过开关器件VTb-接通Rb将电动机的动能消耗于电阻Rb之上，过流过载保护通过检测变频器输出电流进行过载、流计算，当判断为过流、过载后，立即发出封锁触发脉冲指令，迅速停止PWM 逆变器工作。

图3 控制回路结构

3.2 接口电路设计

DSP输出的电平信号必须通过高速光耦隔离才可以加到功率器件的输入端，由于功率管IPM工作时，决不允许上下两臂同时导通，因此当一只IPM 打开的时候必须确保它的对管已经完全关闭，开通IPM延时时间取决于光耦的寄生延时时间，又要参照IPM的驱动电路，其中最重要的是参考光耦的最大和最小延时时间，采用具有极短寄生延时的高速光耦可以提

供高速开关的死区，确保了功率管的安全，

3.3 功率驱动设计

图4为功率驱动单元连接图，功率驱动的关键是给负载提供充足的电压和电流，而提供此关键因素的功率器件正是IPM，智能功率模块IPM 作为第四代电子电力元件，是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优选的门极驱动及保护电路构成，与其它功率模块相比，选用智能功率模块可以使系统硬件电路简单、尺寸减少、可靠性提高，并可以缩短系统的开发时间。

图4 功率驱动单元连接图

4结束语

本文提出了基于TMS320LF2407A的三相异步电机矢量控制变频调速系统的实现方案-该方案充分利用了C2000系列DSP的高速运算能力和丰富的片上资源-实现了高性能的矢量控制变频算法。同时，由于所用的第四代电子电力功率元件智能功率模块

(IPM)集成了IGBT、具备驱动和保护电路-使系统具有良好的安全性和抗干扰能力。