【PC机控制变频实验设计】 控制实验设计

PC机控制变频实验设计

１实验平台的构成 本文所设计的三相异步电机的交流变频调速实验系统， 主要由ＰＣ机、基于ＤＳＰ的运动控制卡、基于ＩＰＭ的功 率变换主电路、电压电流及转速检测电路、过压／过流保护 电路、ＰＷＭ信号隔离电路等部分组成，其硬件结构如图１ 所示。其中，在ＰＣ机上运行人机交互软件，实现对整个实 验系统的控制和相关波形的显示，其主要的工作是实现电机 各控制算法及处理相关数据。基于ＤＳＰ的运动控制卡通过 ＰＣＩ总线与ＰＣ机进行通信，利用ＥＶ单元输出ＰＷＭ波， 为功率开关管提供驱动信号，并实施必要的检测和保护。实际应用中将其插入电脑主机箱的插槽中，结构紧凑。基于Ｉ ＰＭ的功率变换主电路、检测电路及各保护电路、隔离电路 等固定在实验箱中，学生通过实验箱面板上的电路图了解电 路基本结构，并在实验中进行必要的连线。系统实物图如图 ２所示。系统工作时，ＤＳＰ首先从ＰＣ机采集需要的开通 时间和死区时间，计算产生相应的三相六路ＰＷＭ信号，传 给ＩＰＭ逆变电路，然后由ＩＰＭ集成的驱动电路控制功率 开关管的导通与关断。同时运动控制卡通过检测电路采集电 流、电压、转速等信号，传送给ＰＣ机，用于算法的计算和 实时波形的显示，另外还设计了相应的保护电路。

２控制系统及其辅助电路的设计 ２．１控制系统的总体设计控制系统电路设计成基于Ｔ ＭＳ３２０Ｆ２８１２的运动控制卡。ＴＭＳ３２０Ｆ２８ １２是ＴＩ公司推出的功能强大的３２位定点ＤＳＰ，是目 前电机驱动控制领域较为先进、应用较成熟的一款ＤＳＰ芯 片［３］，具有强大的数字信号处理能力、完善的事件管理 能力和复杂的嵌入式控制功能，尤其适用于有大批量数据处 理和复杂运算的测控场合［４－６］。在本系统中，ＤＳＰ 与上位机的数据交换通过ＰＣＩ总线实现，采用低成本、高 性能的专用ＰＣＩ接口芯片ＰＣＩ９０５２实现接口功能， 其结构如图３所示。

２．２检测电路的设计与实现在系统运行过程中，需要 对三相异步电机的工作电压、电流及转速信号进行实时检测，以满足实验过程中人机交互软件的波形显示要求，以及电机 控制算法的运算控制要求。对定子电流的动态检测采用霍尔 电流传感器ＬＴＳ６－ＮＰ来实现。图４为电流检测的电路 原理图。为实现霍尔器件输出电压与ＤＳＰＡ／Ｄ采样模块 输入电压的匹配，在霍尔器件后加入了电压调理电路，将电 压信号调整为满足ＤＳＰ输入要求的（０～３Ｖ）电压。由 于本系统电路在设计上对模拟信号和数字信号分别进行控 制，为了实现两者的电气隔离，把调理得到的单极性电压信 号通过光耦芯片ＴＬＰ５２１隔离后再传送给ＤＳＰ的Ａ ／Ｄ端口。由于ＴＬＰ５２１属于非线性光耦，在电路中加 入１个同型号的光耦，利用其传输特性的对称性，一个作输 出，一个作反馈，可以有效补偿其非线性的缺陷。由于光电 耦合器初、次级之间的信号传输不是瞬间完成的，而是存在 着一定的传输时间，故作反馈的光耦和电阻Ｒ１０组成的负 反馈电路将显得迟缓，容易产生自激振荡。因此引入Ｃ２以 消除自激振荡。对电压检测电路的设计，是在母线上并联２ 个大功率的精密电阻（图１中的Ｒ２、Ｒ３）进行分压，来 测量直流母线电压，并将检测到的直流母线电压通过软件编 程的方法计算得到电机的定子相电压，这样避免了使用２个 霍尔电压传感器测量定子相电压，设计上更加简单。转速检 测电路采用瑞普增量式光电编码器实现。实际应用时，由于 通常将光电脉冲发生器装在电机转子轴上，故其必然受到较 强的电磁干扰。为了提高系统的抗干扰性能，将它发出的脉冲信号先经过差动输入和光电隔离，再传送至ＤＳＰ的捕获 单元输入脚ＱＥＰ１和ＱＥＰ２。其硬件原理图如图５所示， 采用ＬＭ３９３比较器来实现线路阻抗的匹配，采用光电隔 离器６Ｎ１３７实现光电编码器和控制电路的隔离。

３实验平台的软件设计 ３．１基于ＶｉｓｕａｌＣ＋＋的人机交互软件目前的 ＤＳＰ软件控制程序一般是基于代码调试器（ｃｏｄｅｃｏ ｍｐｏｓｅｒｓｔｕｄｉｏ，ＣＣＳ）编程环境实现的，程 序直接固化到ＤＳＰ的Ｆｌａｓｈ芯片上，不能直观方便地 观测多种电机控制算法的工作状态，更不能对系统进行改进 和升级，开放性较差，不适用于实验教学场合。本文针对学 生实验的特点，在ＶｉｓｕａｌＣ＋＋环境下开发了人机交 互界面，首先利用ＭＦＣ类库中的窗体控件完成人机交互主 控界面，再对各个控件逐一进行预定功能的程序实现，其中 包括对各电机控制算法的程序实现。在ＶｉｓｕａｌＣ＋＋ 环境下开发的异步电机变频调速系统人机交互控制软件界 面如图６所示。要完成的功５７孙铁成，等：基于ＰＣ机控 制的交流变频调速实验平台设计能包括：电机多个控制算法 （ＳＰＷＭ、ＳＶＰＷＭ、直接转矩控制、磁场定向控制等 算法）的选择及切换、调制方法的选择及切换、相关参数设 定、电机的启停控制、Ｍａｔｌａｂ绘图以及各相关波形的 动态显示等。

３．２电机控制算法的实现本实验平台可实现电机多个控制算法，包括ＳＰ－ＷＭ、ＳＶＰＷＭ、磁场定向控制、 直接转矩控制等。下面以磁场定向控制为例，对算法的软件 编程进行说明。磁场定向控制的基本思想是将异步电机模拟 成直流电机来控制，其基本原理是将三相转子电流ｉａ、ｉ ｂ、ｉｃ通过Ｃｌａｒｋ变换成两相、两相静止电流，然后 再经Ｐａｒｋ变换成按转子磁链定向的旋转坐标系上的两 相旋转电流ｉｍ、ｉｔ，对这２个电流分量分别加以控制。

通过控制ｉｍ实现对磁通的控制，控制ｉｔ实现对转矩的控 制。这样便实现了正交和解耦控制［７－１０］。基于磁场 定向控制的变频调速系统框图如图７所示，主要包括Ｃｌａ ｒｋ变换、转速调节器、Ｐａｒｋ变换、转子磁链观测器（图 中ＡＷＭ）、Ｋ／Ｐ变换（直角坐标－极坐标变换）、电流 调节器、ＳＶＰＷＭ等模块。在ＶＣ＋＋开发环境下编写异 步电机磁场定向闭环算法程序，程序流程图如图８所示。

３．３运动控制卡的编程实现系统运行中，ＰＣ机向运 动控制卡发送运动控制命令，驱动其工作。控制系统的开发 是通过运动控制卡的Ｃ语言函数库和动态链接库实现的。Ｖ Ｃ＋＋支持Ｗｉｎｄｏｗｓ标准３２位动态链接库（ｄｙｎ ａｍｉｃｌｉｎｋｌｉ－ｂｒａｒｙ，ＤＬＬ）的调用，只 需将用ＶＣ＋＋所编制的用户界面程序与运动控制卡的函 数库链接起来，就可以完成控制系统的开发。ＤＬＬ是一种 基于Ｗｉｎｄｏｗｓ的程序模块。它不仅可以包含可执行代 码，而且还有数据及各种资源，因而库文件有很大的使用范围［１１－１２］。在进行大型软件开发时，利用ＤＬＬ技 术将程序分为一系列的主程序和ＤＬＬ，可以减少开发的工 作量，提高程序模块的访问速度和数据处理速度。在应用程 序中，动态链接库的链接通常有２种方式，即隐式方式和显 式方式［１３］，本系统采用隐式方式。隐式链接是在进程 载入时链接ＤＬＬ，必须拥有ＤＬＬ模块的头文件及ＬＩＢ 库文件。本系统的运动控制卡ＤＬＬ头文件为ＭＣＣ１００ ０．ｈ，引入库文件为ＭＣＣ１０００．ｌｉｂ，动态链接 库文件为ＭＣＣ１０００．ｄｌｌ，设备驱动程序为ＭＣＣ １０００．ｓｙｓ。开发控制软件时将头文件及引入库文件 拷贝至工程目录，之后按调用内部函数一样调用运动控制卡 的ＤＬＬ函数。

３．４上位机界面实时数据曲线的显示在实验过程中， 上位机的人机交互软件需要对硬件检测得到的电机转速、电 机定子相电流、观测得到的磁链、软件编程输出的ＰＷＭ信 号等数据以曲线的形式进行实时显示。系统运行中，计算机 不断地接收来自运动控制卡的数据，于是可以模拟示波器的 效果，让曲线以动态的形式通过显示屏幕，而不是一次性地 全部显示出来。首先需要设计一种曲线的更新机制，对接收 到的数据进行适当的处理。本文利用一维数组来实现：把数 据存入一个一维数组，采用右移的方法，把新接收到的数据 存入数组的“０”位置上，旧数据向右移１位。数组满了以 后，最后一个数据自动就会被新来的数据“挤”出去。为了实现实时数据曲线的动态显示，可以采用背景色重绘的方法， 即在某时刻先利用背景色画刷重绘显示数据曲线的矩形区 域，擦掉上一时刻曲线，再对此时刻的数据曲线进行描绘；

或者利用背景颜色画笔重绘上一时刻数据曲线。这样就产生 了动画效果。前一种方法比较简单，但是容易产生闪烁，视 觉效果不好；
后一种方法则无此问题，动态效果很好。

４实验测试及应用 实验中所使用的三相异步电机额定参数为：三角接法， ＰＮ＝１００Ｗ，ＵＮ＝２２０Ｖ，ＩＮ＝０．４８Ａ，ｆ Ｎ＝５０Ｈｚ，ｎＮ＝１４２０ｒ／ｍｉｎ。图９―图１１ 给出了采用磁场定向控制算法时系统的工作波形。其中图９ 中（ａ）、（ｂ）分别为电机空载启动的电机转速和定子Ａ 相电流波形；
图１０为电机动态调速波形，给定频率经５０ Ｈｚ―２５Ｈｚ―５０Ｈｚ的变化；
图１１为用示波器观测 的电机的线电压波形。转速、定子相电流波形均由人机交互 软件的“Ｍａｔｌａｂ绘图”功能绘制出来，另外可通过软 件界面的采样波形显示区实时观测开关信号、定子相电流、 磁链等动态波形，如图１２所示。本实验平台的应用能够弥 补当前电力传动课程教学中偏重理论而缺少实践的不足，学 生可以通过实验直观了解各变频调速控制算法的工作状态 以及控制效果，还可以在同一个平台上比较各控制算法的特 点。

５结束语本文所设计的基于ＤＳＰ２８１２的交流变频调速实 验平台充分考虑了学生实验的特点，克服了以往变频调速系 统的开放性差、不利于二次开发的缺点，充分利用Ｖｉｓｕ ａｌＣ＋＋的软件优势，开发了人机交互控制软件，实现了 包括磁场定向控制在内的多种电机控制算法，允许学生对多 种控制算法进行切换，并通过实时动态曲线观察系统的工作 状态。在软件的基础上以ＤＳＰ为核心设计了整套实验平台。

最后通过实验验证，表明本实验平台具有良好的稳态和动态 性能。