基于双DSP的四象限变频调速系统设计与实现_图文

1、自动化仪表第29卷第2期2008年2月基于双DSP 的四象限变频调速系统设计与实现D e s ign and I m p lem e n t a ti o n o f Fo u r 2quad ran t Va riab le Fre que ncy D rivi ng Sys temB a sed o n D ua l D SP s卢文生(黑龙江科技学院电气与信息工程学院,黑龙江哈尔滨150027摘要:设计了一种基于双DSP 的感应电机四象限变频调速系统。将基于电压定向矢量控制策略的P WM 整流器与传统变频器相结合,通过实时控制输入电流,使变频器的输入电流具有较好的正弦性,其相位与电网电压

2、相同,并自动实现能量双向传递,进而实现了变频调速系统的四象限运行。采用双DSP 芯片控制方案实现系统功能,给出了具体的软、硬件设计方法,并进行了实验研究,实验结果证明了所提出系统及其实现方法的正确性与可行性。关键词:变频调速电压定向磁场定向矢量控制数字信号处理器中图分类号:T M921.5文献标志码:AAbstract:A f our 2quadrant variable frequency driving system based on dual DSPs f or inductive motor is designed .The P WM rectifier based on voltag

3、e 2oriented vector control strategy was combined with traditi onal inverter .Thr ough contr olling input current in real ti m e,the input current is nearly sinus oidal and its phase was the same as the grid voltage,the bi 2directional transfer of the energy is realized automatically,and then the fou

4、r 2quadrant operati on of variable frequency driving system was realized .The system functi ons were i m p lemented by adop ting dual DSPs control scheme,the particular design method of hardware and s oft ware was given .The experi m ental results p r ove the correctness and feasibility of the syste

5、m.Keywords:Variable frequency driving Voltage 2oriented Magnetic field 2oriented Vector control D igital signal p r ocessor修改稿收到日期:2007-11-07。作者卢文生,男,1967年生,1990年毕业于黑龙江矿业学院电气工程系,获学士学位,副教授;主要从事电力电子与电力传动方面的研究。0引言基于P WM 技术的电压型变频调速系统因其将感应电机的自然特性改造为具有优良动、静态控制性能的人工特性,在现代工业生产中得到了日益广泛的应用,并取得了显著的节能效果1。但是,由于传

6、统变频器采用交2直2交的主电路方案,需要将交流电能转换为直流电能,输入端采用不控整流桥结合直流滤波电容的电路结构,造成输入电流波形严重畸变,含有丰富的低次谐波,对电网造成严重污染;另一方面,由于二极管的物理特性,能量只能单向流动,应用于位能性负载场合时,再生能量在直流母线累积,产生较高的泵升电压,造成系统无法正常工作,限制了传统变频器的应用场合。本文提出一种全数字化四象限变频调速系统,以解决上述问题。该系统具有能量自动双向流动、输入电流正弦性好、谐波含量低、系统以单位功率因数运行等优点。实验结果证明,采用双DSP 控制方案实现的系统的正确性和可行性。1四象限变频调速系统的基本结构图1为四象限变

7、频调速系统的主电路结构原理图,采用双端全可控电路结构,即将传统变频器输入端的不控整流桥用全控型功率逆变器取代,输出端的逆变器保持不变。主要包括输入滤波电感、三相全控整流器、直流滤波电容以及输出端的三相逆变器等。由此主电路拓扑可知,由于输入端采用全控型功率逆变器,使得输入电流可控。因此,结合相应的P WM 整流控制技术2,使输入电流具有较好的正弦性,系统以近似单位功率因数运行,能量自动双向传递,即实现系统 的四象限运行。图1四象限变频调速系统主电路结构原理图Fig .1Structural p rinci p le of the main circuit of f our 2quadrantva

8、riable frequency driving system13基于双D SP 的四象限变频调速系统设计与实现卢文生PROCESS AUT OM AT I O N I NSTRU M ENTAT I O N Vol .29No .2February 20082系统的控制策略根据其结构特点,将其分为输入端的P WM 整流部分和输出端的功率逆变器两部分进行控制,下面进行详细阐述。211P WM 整流器的控制输入端的P WM 整流器为三相拓扑结构,其在d -q 坐标系下的数学模型为3:L d i dd t=e d -U d +L i qLd i qd t=e q -U q +L i d(1式中:各

9、变量分别为输入电压、逆变电压、输入电流在d 、q 轴的直流分量;为输入电压角频率;L 为输入滤波电感。在d -q 坐标系下,所有变量变为直流量,有利于闭环调节器参数设计,由式(1可知,d 、q 轴变量存在耦合。因此,电流内环采用前馈解耦控制策略,调节器均为PI 调节方式,则输出逆变电压d 、q 轴分量给定值为:U 3d =-K dp +K d i s (i 3d -i d +e d +L i q U 3q=-K qp +K qi s(i 3q -i q +e q +L i d(2式中:i 3d ,i 3q ,U 3d ,U 3q 分别为输入电流和输出逆变电压在d 、q 轴分量的给定值;K dp

10、 ,K d i 和K qp ,K qi 分别为 d 、q 轴电流环的调节参数。由上式绘制出P WM 整流器控制策略原理框图,如图2所示4。它采用以母线电压为外环,输入电流为内环的双环控制结构。母线电压采用P I 调节器进行闭环调节,其输出作为电流直轴分量的给定值,其数值代表有功功率的大小,符号代表功率传递方向。为了实现单位功率因数运行,采用电压定向矢量控制策略,即令电流q 轴分量给定值为0,此时,输入电流均为有功。d 、q 轴电流调节器的输出作为逆变电压给定,再图2P WM 整流器控制策略原理框图Fig .2Princi p le of the contr ol strategy of P W

11、M rectifier由S VP WM 算法生成P WM 信号控制功率器件工作。212输出端逆变器的控制输出端逆变器的控制采用感应电机转子磁场定向矢量控制策略,其原理框图如图3所示。其基本思想是,在转子磁场定向的两相 d -q 同步旋转坐标系下,对电机磁链和转矩进行独立解耦控制,以获得感应电机优良的动、静态控制性能5。系统采用三环控制结构,电机转速为外环,采用P I 调节方式,其输出作为转矩的给定,内环包括转矩环和磁链环,转矩反馈和磁链反馈均通过电机电流经旋转坐标变换后获得。并采用P I 调节方式,两个闭环调节器的输出经电压补偿后作为输出电压的d 、q 轴给定分量。再由S VP WM 算法产生

12、P WM 信号控制功率器件驱动感应电机工作。图3转子磁场定向矢量控制策略框图Fig .3B l ock diagra m of the r ot or magnetic field 2orientedvect or contr ol strategy3系统软硬件设计311系统硬件设计系统采用全数字化实现方案,与分离式方案相比,可提高系统可靠性和灵活性6。考虑到算法比较复杂,采用两片T MS320F2812分别实现输入端的P WM 整流器的算法以及转子磁场定向矢量控制算法,T MS320F2812是专为电能转换领域开发的高性能DSP芯片,含有丰富的外设资源,运算速度可达150Mbp s 7。系统

13、硬件框图如图4所示,功率部分主要包括输入滤波电感、两个智能功率驱动模块(I P M 以及一个直流滤波电容,控制部分由网侧电压、电流检测电路、两个DSP 芯片、直流电压检测电路、电机电流检测电路、电机转速检测传感器及其接口电路、P WM 信号光电隔离电路等部分组成,其中两个DSP 之间通过SC I 串行通信接口进行数据传送。312系统软件设计由于采用了高速DSP 芯片,所有控制算法全部在23基于双D SP 的四象限变频调速系统设计与实现卢文生图4四象限变频调速系统结构框图Fig .4Structure of f our 2quadrant variable frequencydriving sy

14、ste mDSP 芯片中由软件实现,一片实现输入端P WM 整流器的电压定向矢量控制算法;另一片实现感应电机转子磁场定向矢量控制算法。图5是P WM 整流器控制策略软件流程图,主要包括电压、电流AD 转换及数字滤波算法、电压定向角的计算、直流电压的采集及闭环调节、电流旋转坐标变换以及相应的闭环调节以及S VP WM 算法等。图5P WM 整流器控制策略软件流程图Fig .5Soft w are fl owchart of contr ol strategy of P WM rectifier图6是感应电机转子磁场定向矢量控制软件程序流程图,主要包括电机转速计算、转速闭环调节、电机电流AD 转换

15、计算、旋转坐标变换、转子磁场观测以及磁链 、转矩的闭环调节和S VP WM 算法等。图6电机矢量控制策略软件流程图Fig .6Soft w are fl owchart of vect or contr ol strategy of mot or4实验结果及分析对上述系统在测功机上进行了原理性实验验证,带动恒定负载。交流输入电压为100V,母线电压给定为200V 。图7为实验结果,图7(a 、图7(b 分别为直流电压、网侧电压、电流实验波形。由此可知,网侧输入电流具有较好的正弦性,并与网侧电压近似同相位。图7(c 为输出逆变器两相驱动信号的基波成分,由此图可知,由于采用S VP WM 算法,相

16、电压为含有三次谐波的马鞍波形。图7(d 、图7(e 分别为电机线电压、相电流波形,由此两图可知,逆变器输出电压保持平稳, 电机电流具有较好的正弦性,无三次谐波成分。图7四象限变频调速系统实验波形Fig .7Experi m ental wavefor m s of four 2quadrant variablefrequency driving syste m5结束语将P WM 整流器与传统变频器相结合,提出一种全数字化的感应电机四象限变频调速系统,将电压定向矢量控制策略和转子磁场定向矢量控制策略引入到该系统中,并采用双DSP 控制方案加以实现。对该系统进行了实验研究,结果表明,输入电流具有较

17、好的正弦性,与电网电压近似同相位,直流母线电压保持恒定,进而证明了系统控制方案及软硬件设计的正确性和可行性。参考文献1谭茀娃.展望变频调速及其控制技术的前景J .电器工业,2003(1:6-7.(下转第37页基于双D SP 的四象限变频调速系统设计与实现卢文生带=2,积分时间T i =5,微分时间T p =015。控制系统的阶跃响应曲线如图5所示。可知,采用PFC 2P I D 串级控制的主汽温控制系统的超调量小,到达稳定时间短,动态性能明显优于P I D 2P I D 串级控制系统。图5控制系统的阶跃响应曲线Fig .5Step res ponse curves of contr ol sy

18、ste m在预测模型增益失配的情况下,增益系数K m 分别为0135、0147和016的时候,系统动态响应曲线如图6所示。由图可知增益减系数小时,超调量增大,响应加快,过度时间几乎不变;增益系数加大时,超调量减小,响应时间有所增加,但动态品质依然很好。图6系统动态响应曲线Fig .6Dyna m ic res ponse curves of the syste m为了分析系统的抗干扰性,在70s 时,分别加5%的内部一次干扰和10%的外部二次干扰,系统抗干扰性响应曲线结果如图7所示,可以看出,串级控制系统有良好的抗内外部干扰能力。4结束语本文针对主汽温控制对象的迟延、非线性、惯性、时变和扰动特

19、点,给出了一种PFC 2P I D 串级控制方案。图7抗干扰性响应曲线Fig .7Anti 2interference res ponse curves分析了PFC 2P I D 串级控制系统的原理方法和控制过程,首先设计系统的广义控制对象,使其稳定,然后拟合为一阶纯滞后传递函数,并设计其预测函数控制器。最后,通过实例仿真,验证了该方案较传统控制的优越性,表明了其良好的鲁棒性和抗干扰性等动态性能。参考文献1R I CHALET J.Predictive functi onal contr ol:app licati on t o fast andaccurate r obotsC Pr oc

20、.of 10th I F AC World Congress .Mu 2nich,PRG,1987:251-258.2VANDOREN V J.Advanced contr ol s oft w are goes beyondP I D J .Contr ol Engineering,1998,45(1:73-78.3SKRJANC I,MATK O D.Predictive functi onal contr ol based onfuzzy model for heat 2exchanger p il ot p lantJ .I EEE Transacti ons on Fuzzy Sys

21、te m s,2000,8(6:705-712.4ROSSI TER J A,R I CHALET J.Handling constraints with p redic 2tive functi onal contr ol of unstable p r ocessesC Pr oc .of the A 2merican Contr ol Conference .Anchorage,2002,6:4746-4751.5夏泽中,张光明.预测函数控制及其在伺服系统中的仿真研究J .中国电机工程学报,2005(14.6J I N X ZH,W E I G Y,Y ANG Y Q.Multi 2I M C adap tive contr ol sys 2te m f or main steam te mperature in the power p lantC Machine Learning and Cybernetics,Pr oceedings of 2005I nternati onal Con 2ference,2005,2:676-681.7HAN P,WANG G Y,WANG D F .O