基于DSP的感应电机矢量控制变频调速系统设计

总结构图如图1所示。

系统的控制核心是TMS320F28335芯片，其主要任务是完成矢量控制算法、电流检测、故障检测、串行通信、显示、电压检测和过欠压保护等。由于系统存在高频干扰，系统中采用的措施为：①在控回路与主回路用光电耦合隔离；②PWM波形输出接口的每根信号线与每根地线间隔[3]。

1.2 供电电源电路

理想状况下，DSP芯片的两种电压源需要同时上电，而实际中却难以做到，当TMS320F28335工作频率为150MHz时，需要1.9V的内核电压及3.3V的I/O外围电压。DSP芯片在上电与掉电过程中如果供电起点与上升速度不均衡，即I/O模块先于内核上电时会导致DSP芯片内部内核和外部I/O模块产生电流，使系统不稳，将影响器件性能，严重时甚至损坏器件。而当内核先于I/O模块上电时，I/O引脚将会产生不稳定的未知状态。因此本设计为TMS320F28335的供電电源选用的是TI公司生产的TPS767D318双路输出低压降（LDO）高性能稳压器，它带有上电次序控制与上电复位功能，可以有效保护元器件[4]。其上电顺序是内核先上电（31.9V），外围在其后（3.3V），系统供电电路如图2所示。

1.3 仿真器接口电路

DSP需要连接仿真器进行上位机调试，其媒介是JTAG（Joint Test Action Group）接口，它是一种国际标准测试协议，能够访问DSP内部已经封装过的TAP（Test Access Port）测试电路，对DSP芯片内部所有器件进行编程，用于系统调试、通信、仿真以及内部芯片测试等[5]。本设计采用的是14插脚孔位的JTAG，如图3所示。

2 检测电路

为实现矢量控制，需要针对直流母线电压、电机转速和定子电流进行检测，用来验证整个系统的可靠性以及矢量控制的精确性。其原理是采用霍尔传感器把检测到的模拟信号转换为DSP可识别的数字信号，来实现对系统预定的功能和对电机提供的必要保护。光电耦合隔离放大器自带的短路与过载保护，不仅能对整个电路起保护作用，还能检测直流母线电压[6]。

2.1 定子电流检测电路

定子电流检测的精准度直接制约着矢量控制系统的控制精度。本设计选用的是TBC-05SY型电子式霍尔电流传感器，它的初级和次级是绝缘的，属于双闭环电流传感器，具有极强的抗干扰能力、响应速度快、线性好、过载能力强等特点。LM3684是压降转换器，能够提供稳定的电压基准值。电流检测电路如图4所示。

2.2 直流母线电压检测电路

因定子电压检测电路涉及多个霍尔传感器，使其检测电路较为复杂，又定子绕组电压可以根据直流母线电压计算得出，所以只需检测出直流母线电压即可。本文采用集成隔离放大器HCPL-788J，通过改变三个调节电阻的阻值来调整输出电压，将检测的电压信号通过限幅电路送给DSP可识别的电压信号，再通过DSP的ADCINA4引脚传送给A/D转换器。LMC6484是低功耗、CMOS四路轨至轨输入和输出运算放大器[7]。直流母线电压检测与限幅电路如图5所示。

3 系统软件设计

系统软件设計主要包括主程序与中断程序：主程序是完成系统常量、变量定义和变量初始化、中断初始化，以及响应中断等，流程图如图6（a）所示；中断程序主要包括三相电流计算、Clarke和Park变换和逆变换、计算转差角速度、磁链计算、PWM等，流程图如图6（b）所示[8]。

4 测试结果

测试对象为4极三相感应鼠笼电机，定子为Y型接法，其额定电流为3.8A，额定电压为380V，额定转速为1500r/min，功率1.5kW，横转矩频率范围5～50Hz。连机测试结果如图7（a）定子电流ia，ib，ic，图7（b）转子速度wm和图7（c）电磁转矩Tc可以看出启动瞬间电流电流波动较大，进入横转矩后趋于稳定，当突然加入负载时在抖动过后又进入稳定状态，说明系统相应速度快、抗干扰能力强。

由公式S=60*f/n（S为转速，f为电源频率，N为极对数）可知，极对数固定时，理论上电机的转速与频率成比例关系[9]。通过现场调试测试的数据进一步验证设计的可靠性，检测数据如表1所示。

从表1实验数据可以看出，电机转速误差工作在预期范围内，输出电流变化基本稳定，输出电压也基本和电源频率成正比，由此证明该系统的可靠性与可行性。

5 结论

本设计采用模块化思想，设计了一套完整的基于TMS320F28335的感应电机矢量控制变频调速系统，经过现场调试运行，验证了系统的可靠性，选用的TMS320F28335相比同类芯片具有很多优点，设计中加入的保护电路对系统的完善起重要作用，不仅对元器件起到保护作用，同时也对系统的稳定性起着至关重要的作用。

基金项目：

山西省自然科学基金项目（2015011043）。

参考文献

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