帶軟啟動(dòng)的單相感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏澤中，潘亞潔，盧鵬升，顏曉河

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070;2.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系，浙江溫州325035)

單相感應(yīng)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于各種商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，如抽風(fēng)設(shè)備、空調(diào)、縫紉機(jī)、抽水設(shè)備、冰箱以及商業(yè)和工業(yè)取暖等。隨著單相電機(jī)應(yīng)用增多，人們逐漸認(rèn)識(shí)到單相電機(jī)及相關(guān)裝置的有效調(diào)速控制對(duì)節(jié)能降耗具有重要意義。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)電力驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的問題，如縫紉工廠多臺(tái)單相感應(yīng)電機(jī)在頻繁的啟停過程中會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，當(dāng)采用離合器方式時(shí)，縫紉過程因?yàn)楦鬏o助工作而中斷，電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致供電系統(tǒng)功率因數(shù)降低。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種帶有軟啟動(dòng)功能并能控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)速數(shù)字控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能通過軟啟動(dòng)有效降低電機(jī)啟停過程中的沖擊電流，減小對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊磨損;同時(shí)，根據(jù)運(yùn)行需要來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)空載時(shí)將電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到一個(gè)較低的范圍，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能。筆者設(shè)計(jì)的單相感應(yīng)電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，控制芯片為dsPIC30F3010，采用恒壓頻比的變頻調(diào)速方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)單相感應(yīng)電機(jī)的軟啟動(dòng)和運(yùn)行調(diào)速控制［1］。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件電路主要由功率主電路、控制電路及信號(hào)采集調(diào)理電路組成。功率主電路以兩相三橋臂逆變電路為核心，控制電路基于dsPIC30F3010芯片來設(shè)計(jì)［2］，采集電路采用霍爾傳感器、電阻分壓和光電編碼器來實(shí)現(xiàn)。

控制器根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速和電流電壓值來判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通過改變PWM(pulsewidth modulation)的調(diào)制比達(dá)到控制電機(jī)速度的目的?；魻杺鞲衅骱碗娮璺謮悍謩e用來采集電機(jī)相電流、直流母線電流和直流母線電壓，并通過光電編碼器采集電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 功率主電路設(shè)計(jì)

功率主電路以逆變器為核心，逆變器前端采用全橋整流電路和電容濾波電路，獲得直流電源。6只開關(guān)管組成兩相三橋臂的逆變電路，通過適當(dāng)?shù)拈_關(guān)方式，使得兩相繞組間的電流相位相差90°［3］。使用 SPWM(sinusoidalPWM) 控制方法時(shí)，若使中間橋臂的占空比穩(wěn)定在50%，另外兩橋臂的占空比與sin函數(shù)相對(duì)應(yīng)，則其電壓利用率較低，只有50%;若采用文獻(xiàn)［4］中的開關(guān)方式，經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，電壓利用率可達(dá)到70%左右，與仿真結(jié)果一致。功率主電路拓?fù)淙鐖D2所示［5］。

圖2 功率主電路拓?fù)?/p>

逆變器開關(guān)器件采用IPM(intelligentpower module)模塊，內(nèi)置三橋臂，常用于單相電機(jī)或三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)。IPM模塊內(nèi)部采用隔離技術(shù)，驅(qū)動(dòng)更簡(jiǎn)單，同時(shí)內(nèi)含過流檢測(cè)，一旦過流就會(huì)關(guān)閉，模塊不易燒掉。IPM模塊內(nèi)部配線也可得到優(yōu)化，能較好地控制浪涌電流和門極振蕩等干擾［6］。

1.3 控制電路設(shè)計(jì)

以dsPIC30F3010芯片為核心的主控制電路、信號(hào)處理電路及信號(hào)采集電路組成的控制電路框圖如圖3所示。

圖3 控制電路框圖

dsPIC30F3010增強(qiáng)型閃存16位數(shù)字信號(hào)控制器是由Microchip公司生產(chǎn)的用于電機(jī)控制的專用芯片，其主要特點(diǎn)包括:①DSP引擎功能;②豐富的外設(shè)資源，包括豐富的I/O引腳、帶可編程預(yù)分頻器的定時(shí)模塊、SPI模塊、I2C模塊和UART模塊;③專用于電機(jī)控制的6個(gè)PWM輸出通道;④專用于電機(jī)測(cè)速的正交編碼器接口模塊;⑤帶4個(gè)采樣保持輸入的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器;⑥低功耗及寬電壓工作范圍［7］。

使用AN口采集霍爾傳感器檢測(cè)的直流母線電流和相電流。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載變小或變?yōu)榭蛰d時(shí)，母線電流和相電流會(huì)改變，通過檢測(cè)電流大小即可確定電機(jī)的工作狀態(tài)。通過光電編碼器可檢測(cè)到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并采用適當(dāng)?shù)乃俣乳]環(huán)算法計(jì)算PWM的占空比，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。為了使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，選擇PWM的頻率為10～20kHz。

1.4 信號(hào)采集調(diào)理電路

信號(hào)采集電路包括電流信號(hào)、電壓信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)采集。利用霍爾傳感器采集相電流及直流母線電流，電流采集既可實(shí)現(xiàn)電流控制的功能，也可用于保護(hù)主電路，芯片一旦檢測(cè)到電流過大就關(guān)閉PWM輸出。同時(shí)IPM模塊上也有過流保護(hù)功能，電流過大時(shí)也會(huì)將IPM模塊關(guān)閉。采用電阻分壓的方法來檢測(cè)直流母線上的電壓，通過AN口傳至控制芯片。采用光電編碼器，通過計(jì)算脈沖數(shù)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。dsPIC30F3010芯片具有正交編碼器接口，可直接計(jì)算脈沖數(shù)得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 軟啟動(dòng)

感應(yīng)電機(jī)在啟動(dòng)過程中，會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流。傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)方式是使用晶閘管，采用開環(huán)控制電壓斜坡的降壓?jiǎn)?dòng)方式。晶閘管控制系統(tǒng)在低速時(shí)，效率較低，而開環(huán)控制電壓斜坡啟動(dòng)效果受負(fù)載和電源變化的影響比較嚴(yán)重，實(shí)際運(yùn)用時(shí)需要反復(fù)調(diào)試才能達(dá)到穩(wěn)定的效果。筆者采用IPM模塊和數(shù)字信號(hào)處理器，通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速上升時(shí)間為5s，初始電壓設(shè)置為25%電源電壓，電源電壓過低時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩有限，電機(jī)無法啟動(dòng)，勵(lì)磁電流過大，電機(jī)容易損壞。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到直流母線上電壓從零上升至311V左右時(shí)，自動(dòng)開始軟啟動(dòng)功能。通過光電編碼器采集到的轉(zhuǎn)速信號(hào)與霍爾傳感器采集到的電流信號(hào)，形成速度閉環(huán)控制。利用定時(shí)器計(jì)時(shí)，5s內(nèi)將電機(jī)轉(zhuǎn)速勻速升至額定轉(zhuǎn)速［8－11］。

軟啟動(dòng)流程圖如圖4所示。

圖4 軟啟動(dòng)流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)具有更好的節(jié)能調(diào)速性能，筆者采用速度閉環(huán)控制。電流信號(hào)主要用來確定電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行節(jié)能調(diào)速和過流保護(hù)。控制策略均采用軟件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。其中節(jié)能控制器能夠根據(jù)電機(jī)相電流、母線電流來確定電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。如果電機(jī)負(fù)載為額定負(fù)載，則按照正常調(diào)速方式進(jìn)行調(diào)速;如果電機(jī)在輕載的情況下運(yùn)行，則采用節(jié)能調(diào)速方法，通過速度閉環(huán)將轉(zhuǎn)速緩慢降至一個(gè)范圍。

圖5 系統(tǒng)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

在程序中通過定時(shí)器來調(diào)用軟啟動(dòng)程序，每一次定時(shí)器中斷，標(biāo)志位加1，根據(jù)標(biāo)志位來調(diào)用軟啟動(dòng)子程序，設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間為5s。定時(shí)器的頻率與PWM頻率相同，設(shè)置為10kHz，每隔1μs中斷一次，改變PWM占空比。A/D中斷由PWM中斷觸發(fā)，每4個(gè)PWM中斷觸發(fā)一個(gè)A/D中斷，讀出電流值。脈沖計(jì)算程序設(shè)置為8μs中斷一次，在中斷中得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。

軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、A/D采樣中斷程序、QEI中斷程序、TIMER中斷程序和PWM中斷程序。主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化，進(jìn)入循環(huán)，等待中斷;A/D采樣中斷程序?qū)﹄娏麟妷盒盘?hào)進(jìn)行采集，作為TIMER中斷程序計(jì)算占空比的依據(jù);QEI中斷程序用來計(jì)算脈沖數(shù)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速，也作為TIMER中斷程序計(jì)算占空比的依據(jù);TIMER中斷程序根據(jù)A/D采樣得到的數(shù)據(jù)和QEI中斷得到的轉(zhuǎn)速值，選取合適的算法，計(jì)算占空比;PWM中斷程序根據(jù)TIMER中斷程序中計(jì)算得到的占空比更新寄存器PDC。

主程序及TIMER中斷程序的流程框圖如圖6和圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)用于一臺(tái)45W的單相

圖6 主程序流程圖

圖7 TIMER中斷程序流程圖

感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)試能使電機(jī)平滑啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當(dāng)輸入市電時(shí)，獲得PWM上下橋臂波形、驅(qū)動(dòng)波形、電機(jī)相電流波形和軟啟動(dòng)相電流波形如圖8～圖11所示。

圖8 PWM的上下橋臂波形

圖9 驅(qū)動(dòng)波形

圖10 電機(jī)相電流波形

圖11 電機(jī)軟啟動(dòng)相電流波形

通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，基于dsPIC30F3010的單相感應(yīng)電機(jī)調(diào)速節(jié)能數(shù)字控制系統(tǒng)能夠使電機(jī)啟動(dòng)平滑，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了平穩(wěn)啟動(dòng)和減小啟動(dòng)電流的目的。同時(shí)空載時(shí)采用降低電壓和頻率的方式來達(dá)到降低轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一種單相感應(yīng)電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)硬件及軟件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，重點(diǎn)對(duì)電機(jī)軟啟動(dòng)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了闡述。采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的帶有軟啟動(dòng)的變頻調(diào)速方法在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)能減小啟動(dòng)電流，相電流平滑上升。當(dāng)負(fù)載變?yōu)檩p載時(shí)，通過恒壓頻比的方式將轉(zhuǎn)速降低至一個(gè)范圍。將該系統(tǒng)用于縫紉用單相感應(yīng)電機(jī)上，有較大的應(yīng)用價(jià)值和前景。

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