異步感應電機轉速自適應控制系統

張小冰

(浙江東方職業技術學院 信息傳媒與自動化學院，浙江 溫州 325000)

0 引言

異步感應電機，又可稱為感應電動機，是一種把轉子放在旋轉的磁場內，在旋轉磁場作用之下，得到轉動力矩，進而使轉子轉動的機器[1]。目前既實用，性能又高的異步感應電機基本為進口的，不僅成本高，而且嚴重限制了我國感應電機相關行業的發展[2]。為了提高我國異步感應電機的性能，對異步感應電機的轉速進行控制，在降低成本的同時，能夠使電機穩定運轉[3]。為了降低人工消耗，一些專家和學者已針對異步感應電機轉速自適應控制系統進行大量研究，并已有很大成果。但這些傳統異步感應電機轉速自適應控制系統的性能并不完善，在進行轉速自適應控制的過程中，難以減少噪聲干擾，對電壓電流的采集精度不高，對電路故障檢測也不夠準確[4]。為了解決以上問題，提出設計一種異步感應電機轉速自適應控制系統。通過分析異步感應電機轉速自適應控制原理，對功率主電路、功率驅動電路、轉子位置檢測電路等硬件部分進行優化，接入高精度采樣電阻，對電壓信號進行RC濾波，選用FAULT管腳電平完成軟件部分的主程序和中斷服務程序，從而實現異步感應電機轉速自適應控制系統的設計。實驗結果表明，該系統噪聲控制效果好、電流電壓采用精度高、故障檢測精度高。

1 異步感應電機轉速自適應控制原理

本文針對異步感應電機轉速控制系統的自適應要求，將DSP-LF2407當作主控制芯片，通過模糊PID法，實現異步感應電機轉速自適應控制系統的設計。其中DSP-LF2407為AD公司設計的一款，專門給電機控制優化系統設計提供的定點芯片[5]，非常適合于異步感應電機轉速的自適應控制系統中。該芯片將很多外圍電路集成在一起，性價比很高[6]。

在該系統中，DSP主要負責對采集到的數據進行處理，和傳送控制命令。其中，DSP根據對單元捕捉轉子處，傳感器脈沖信號的捕獲，并且傳送至MOSFET管中的IR2130中，利用MOSFET管功率，來實現電路整體的驅動，使異步感應電機進行旋轉，對轉速環以及電流環雙閉環進行控制，進而高效提高異步感應電機轉速控制準確性。

2 硬件設計

2.1 系統硬件總體框架

對于三相異步感應電機的轉速自適應控制系統的研究，文章提出了，基于DSP的異步感應電機轉速自適應控制系統?？刂葡到y總體結構為：

該系統的硬件電路中包含：主電路、轉子處的檢測電路、和電源電壓的檢測電路以及電流電壓采集調理電路等。系統通過PWM方式對異步感應電機進行控制，該種PWM技術可方便調壓，且功率開關的損耗低[6-7]。驅動的部分通過IR2130，來對三相逆變橋進行高效地驅動。位置信號利用異步感應電機自身的元件給出，且根據DSP的CAP端以獲取定位，通過捕獲操作，得到三相轉子的具體位置，完成異步感應電機的換相。利用對PWM波寬度的調整，控制逆變器的三相輸出電壓平均值，完成對異步感應電機轉速的自適應控制。該系統選取DSP的FAULT管腳，將其當作系統的保護信號的輸入端，系統出現故障的時候，那么FAULT管腳的電平被拉低，同時PWM所有輸出的引腳，均設置成高阻的狀態，中斷保護會被生成。

接下來分別對系統硬件中的各個模塊進行介紹。

2.2 功率主電路設計

系統的功率主電路圖如圖2所示。

圖2 系統功率主電路

異步感應電機轉速自適應控制系統中，功率主電路通過三相逆變橋的形式完成，其原理如圖2所示。主功率開關器件是MOSFET，型號是IRF3205，導通阻抗極低，值為8 mΩ，柵極輸入的阻抗比較高，所需驅動電流比較小噪聲低。圖中A、B、C三相，均分別與異步感應電機定子中，電樞三相線圈進行連接。且RS1為相電流采集精度非常高的電阻，電機產生堵轉或者短路時，該電阻可迸發大電流，并停止功率管的工作，防止情況的繼續惡化。

2.3 功率驅動電路設計

該電路通過集成的驅動芯片IR2130完成?？杀憷赝瓿扇嗄孀儤?，及其他的拓撲結構的電路中，六個MOSFET、IGBT功率管的驅動[8]，IR2130的特點有：開關控制的頻率，能夠達到20 kHz以上；具有六路集成驅動的特點。驅動電路如圖3所示。另外，IR2130芯片共同傳輸出，六路高頻率的脈沖信號，用來控制，六大MOSFET管的開通、關斷順序，用來驅動三相異步感應電機的旋轉。經輸出HO1、HO2及HO3的脈沖，并輸出LO1、LO2及LO3的脈沖，對三相逆變橋下橋中，各部分進行單通與關斷，以B相橋臂為例：

圖3 系統的功率驅動電路

IR2130芯片內部，存在硬件保護電路，可完成過電流、欠電壓的保護。經IR2130中的8腳FAULT，把低電平信號實施輸出操作，且有報警的信號。假如IR2130的工作源欠電壓，那么檢測器會快速地進行翻轉，使被驅動的功率管截止，且為全部截止，這能使電路獲得保護，同時由元件8腳，來得到故障信號檢測的結果。一般來說，把FAULT信號接至DSP內，當電路發生故障時，FAULT會拉低驅動保護的輸入引腳，置定關斷EN單元全部PWM的輸出通道，并且將其設為高阻態，由此實現電機轉速控制系統的保護。

2.4 轉子位置檢測電路設計

該單元作用為：對異步感應電機轉子磁極位置進行實時地檢測，其中的DSP捕獲單元，用來對轉速進行測量，以及對速度的調節。電路圖如圖4所示。

圖4 轉子位置的檢測電路

圖4中，HALL1、HALL2，以及HALL3為轉子位置上的，三相霍爾信號。其中的6N137用于單通道的，高速光耦合器中，假如某相是高電平，則證明二極管1N4148將會截止，信號會利用RC濾波電路，并將高頻干擾信號進行濾除，并通過7414觸發器傳輸高電平，能夠將信號的斜波部分消除，并把信號變換成標準的方波信號，由此DSP不會單元以及I/O口，就可精確檢測出信號。

2.5 相電流采樣電路設計

在異步感應電機轉速控制系統中，采集電流信號的方式為：于功率主電路內，快速接入高精度的，電流采樣電阻[9]。這個電阻能直接地把功率主電路內，電流的信號轉變換成電壓的信號，并將其傳送至異步感應電機自適應控制系統中的控制電路。但是為了精準地檢測采集電流，就需在電流的采樣電路構建中，采用到線性的隔離元件。另外，相電流的采集電路構建中，根據的是HCNR200線性的光耦芯片，該芯片的特點為：成比例變化，而且線性程度可高至0.01%。圖5為相電流的采樣電路。

圖5 相電流的采樣電路

在上述主電路中采樣電阻，開始流入電流之后，得到的電壓值需要經縮放，才可以輸入至A/D單元，因此需要利用放大器，將信號進行放大，經放大的信號，能夠根據HCNR200線性的光耦芯片，來完成線性隔離，利于DSP中A/D口實現采樣。圖5中，C62負責電路的信息反饋，也會濾除電路中的毛刺信號，進而防止HCNR200內的關鍵部位受到沖擊。其中HCNR200為電流驅動型的器件，則為了保障驅動的性能，系統電路選擇雙極性運算放大器。

2.6 電源電壓檢測電路設計

電源電壓檢測的電路的主要作用是：對主電路中的電壓信號值，進行實時檢測，避免由于電源的電壓太高，進而將電機損壞。對信號實施電阻分壓，以及RC濾波，送至HCNR200實現信號的隔離，進而把信號傳輸至DSP的A/D口，由此實現電壓的高精度采樣。

2.7 電壓電流信號調理電路設計

電流電壓調理電路主要作用就是調節電路，使電路穩定性增強。電壓信號的調理電路內部的HCNR200與其在系統相電流的采樣電路中的作用相似。

綜上所述，對各電路的設計方案進行完善，完成對異步感應電機轉速自適應控制系統硬件部分的設計。為系統軟件部分的設計提供最優的硬件環境。

3 軟件設計

在異步感應電機轉速自適應控制系統的軟件設計中，主要就是對主程序、中斷的服務程序等模塊進行設計。

主程序單元的功能為：系統的初始化，對轉子當前的位置進行捕獲，啟動異步感應電機，設置中斷的邏輯，以便對中斷程序進行循環調用。具體流程為初始化DSP，構建程序變量開辟相應的內存地址，把捕獲的CAP1-CAP3口設置為I/O功能，此時電機開始啟動，將CAP1-CAP3口恢復到捕捉功能，進入循環等待，實現主程序中中斷邏輯的設置。

當電機已經轉過了額定的角度，其位置的信號會產生跳變的現象，采用恢復CAP1-CAP3端口[10]，以改變PWM輸出的狀態，驅動電機可持續地進行旋轉，將感應電機啟動，此時使能定時器已開啟，通過讀取讀取CAP1-CAP3口霍爾信號，判斷電機位置所在區域，依據區域輸出相應的PWM波，設置CAP1-CAP3捕獲端口。

電機在旋轉的過程中，各傳感器均可經過變換得到方波信號，三個位置的傳感器，輸出的六種狀態，剛好與功率管六次換相的過程對應。為了獲得六個換相時間，還需要知道為哪一相，就需要將CAP1-CAP3端口的功能修改成I/O查詢口，對三個信號的電平狀態進行檢測，就能夠明確是哪個位置的傳感器接口觸發了中斷，捕獲中斷服務程序流程如圖6所示。

圖6 捕獲中斷服務程序流程圖

速度環通過模糊PID進行控制。且速度環計數器，到達預定值的時候，將會進入至異步感應電機轉速調節子程序中。通過位置信號，對異步感應電機速度的反饋值計算結果，和給定轉速值比較，并獲得速度的誤差量以及誤差變化率，模糊化速度誤差量與誤差變化率，再利用查詢模糊控制的規則表，獲得Δkp、Δki與Δkd，將獲得數據加上個周期的kp、ki與kd，進而更新kp、ki與kd值，最后把kp、ki與kd帶至增量式的數據PID中進行計算，獲得新電流參考值。

電流的調節器是利用PI調節完成的[11]。把采樣獲得的目前的電流值、參考電流值實施比較，通過電流環，來調整DSP輸出PWM占空比，進而實現電流調節，完成對電機轉速的自適應控制。則電流PI調節計算公式為：

PWM(k)=PWM(K-1)+kpc+kicIe(k)

(1)

其中:PWM(k)代表第k次的電流環，進行PI調節之后，輸出的PWM波占空比，kpc、kic代表電流環的比例系數、積分系數，Ie(k)代表第k次采樣后的電流誤差。

根據以上步驟，完成了異步感應電機轉速自適應控制系統的設計。

4 實驗結果與分析

為了驗證所設計的異步感應電機轉速自適應控制系統的性能，實驗采用某公司比較知名的SZDSP-2型的教學實驗箱，示波器是TektronixTDS1002型的雙通道、數字模式存儲示波器，電機的平臺使用的是某公司的MPEC-1型的現代電力電子控制教學試驗平臺。DSP控制板利用XDS510通信器和電腦連接，完成程序加載和調試。根據文章中的軟硬件設計，進行實驗。實驗結果及分析具體描述如下。

噪聲對異步感應電機轉速自適應控制系統有較大的影響，噪聲控制效果的好壞是電機轉速自適應控制系統性能是否優良的關鍵因素。分別采用傳統系統和改進系統對噪聲進行控制，測得兩種不同系統噪聲控制效果對比結果如圖7所示。

圖7 兩種不同系統噪聲控制效果對比

觀察圖7(a)，圖7(b)可知，采用傳統系統對噪聲進行控制，隨著采樣點數量的增加，噪聲信號點不斷增多，噪聲信號點的密度也不斷增大。在采樣數量為18、33、35時，均出現最大噪聲信號點為60dB，說明傳統系統受噪聲干擾十分頻繁。采用改進系統對噪聲進行控制，隨著采用點數量的增加，噪聲信號點保持平穩變化，始終保持在20dB左右，且噪聲信號點的密度較為均衡。對比改進系統和傳統系統的實驗結果，改進系統的噪聲信號點遠遠少于傳統系統的噪聲信號點，充分說明改進系統對噪聲的控制效果更好，驗證了改進系統的可行性。

為了驗證所設計的異步感應電機轉速自適應控制系統的性能，分別對傳統系統和改進系統的電壓電流采集精度進行測試，電流與電壓的采集原理及過程完全相同，因此實驗以電流的采集為例，測得兩種不同系統的電流采集對比結果如圖8所示，圖中的白色圓圈為可以采集的電流數據，黑色矩形框代表采集到電流數據。

圖8 兩種不同系統電流數據采集對比結果

觀察圖8可知，圖8(a)為實際電路數據分不情況，實驗部分共存在9個可采集的電流數據。圖8(b)為傳統系統電流數據采集的結果，采用傳統系統只采集到4個電流數據，計算出電流采集精度約為45%。圖8(c)為改進系統電流數據采集的結果，采用改進系統采集到全部的電流數據，計算其電流采集精度約為100%。對比改進系統和傳統系統的實驗結果，改進系統的電流數據采集量遠遠大于傳統系統電流數據采集量，可得改進系統的電流采集精度更高。同理驗證兩種系統電壓采集精度可得，改進系統的電壓采集精度更高。綜合電流電壓采集實驗結果，充分說明改進系統的電壓電流采集精度高，驗證了改進系統的實用性。

電路故障檢測精度是驗證所設計的異步感應電機轉速自適應控制系統性能的關鍵指標之一。分別對傳統系統和改進系統的電路故障檢測精度進行測試，測得兩種不同系統電路故障檢測對比結果如圖9所示，圖中各條線組成的幾何圖形為模擬電路網，黑色實心圓點代表電路中的故障點，虛線空心圓圈代表系統檢測出的電路故障點。

圖9 兩種不同系統故障檢測對比結果

由圖9可知，圖9(a)為實際電路故障點分布情況，在實際電路中共有4個故障點。圖9(b)為采用傳統系統對電路故障進行檢測的結果，傳統系統只檢測出2個故障點，且這兩個故障點相距較遠，對于距離較近的故障點并沒有檢測出來。圖9(c)為采用改進系統對電路故障進行檢測的結果，4個故

障點全部被檢測到。對比改進系統和傳統系統電路故障檢測結果發現，改進系統的電路故障檢測精度更高，且對密集度高的電路故障點也能進行精確檢測。

分析上述實驗結果，改進系統分別在電路噪聲控制、電壓電流采集及電路故障檢測的準確性方面，均優于傳統系統。實驗結果充分表明，所設計的異步感應電機轉速自適應控制系統對噪聲控制效果好，電壓電流采集和電路故障檢測精度高。

5 結束語

所設計的異步感應電機轉速自適應控制系統雖具有噪聲控制效果好、電壓電流采集精度高、電路故障檢測精度高等優點，但仍存在轉矩的脈動問題，該問題會對異步感應電機系統的整體性能造成影響，當前技術無法在根本上消除轉矩的脈動。在未來，將朝著消除轉矩脈動的研究方向邁進，提高系統的可擴展性，使異步感應電機系統更加完善，為異步感應電機行業未來的發展奠定堅實基礎。

[1] 于會群, 高 揚, 張 浩,等. 并網雙饋異步風電機組模糊自適應控制[J]. 電子測量與儀器學報, 2016, 30(5):676-683.

[2] 余紅英, 趙少雄, 楊 臻. 同步磁阻電機自適應混沌同步控制仿真研究[J]. 計算機測量與控制, 2016, 24(11):67-70.

[3] 國 珍, 張加勝, 劉 偉. 電流源驅動的異步電動機調速特性及仿真研究[J]. 計算機仿真, 2016, 33(2):304-307.

[4] 王騰飛, 張 斌. 基于無源性異步電動機無速度傳感器的調速研究[J]. 微特電機, 2016, 44(3):54-57.

[5] 吳杰長, 蘇 攀. 噴水推進裝置模擬訓練系統的轉速控制及試驗研究[J]. 科學技術與工程, 2016, 16(24):302-306.

[6] 吳彬彬, 李 彥. 鉆井船柴油發電機轉速控制的研究[J]. 電子設計工程, 2016, 24(6):74-76.

[7] 竇曉華, 王 永. 基于特征模型的永磁同步電機轉速自適應控制[J]. 微特電機, 2015, 43(3):33-37.

[8] 蔣 林, 吳 俊, 邱存勇,等. 感應電機模糊自適應全階磁鏈觀測器研究[J]. 控制工程, 2016, 23(6):858-863.

[9] 袁 亮, 張 斌, 張增華. 基于滑模變結構的異步電機轉速控制系統[J]. 電機與控制應用, 2017, 44(1):34-39.

[10] 姜巖蕾, 史增芳. 小型直流電動機的雙路功率控制方法研究[J]. 科技通報, 2017, 33(6):113-116.

[11] 高艷霞, 陳 靜, 范應鵬,等. 一種用于異步電機無速度傳感器控制的自適應滑模觀測器[J]. 電機與控制學報, 2017, 21(4):8-16.