使用dsPIC30F实现交流感应电机的矢量控制

本应用笔记介绍了一个为dsPIC30F系列器件编写的矢 量控制应用程序。除简要介绍了有关控制理论的知识 外，文中所涉及内容需要读者对交流感应电机的特性具 有基本的了解。 可参阅文中提到的参考文献，获得相关 的背景知识。 软件特征 该矢量控制软件具有以下特征： • 软件采用间接磁通控制法实现交流感应电机的矢量 控制。 • 当控制环周期为50µs时，软件需要大约9MIPS的 CPU 开销 （不到全部CPU能力的1/3）。 • 应用程序需要258字节的数据存储空间以及256字 节的常量存储空间。包括用户界面在内需要大约 8K字节的程序存储空间。 • 根据对存储空间的要求，该应用程序可在 dsPIC30F2010上运行。dsPIC30F2010是目前 dsPIC30F 系列中体积最小、成本最低的一款器 件。 • 开启可选的诊断模式可在示波器上对内部程序变量 进行实时观察。 使用该特性可方便地进行控制环参 数的调整。 矢量控制理论 背景知识 由于交流感应电机 （ACIM）具有结构简单以及耐久性 强的特点，是工业和民用电机应用中的主要设备。这种 电机没有电刷（不会产生电刷磨损）和磁钢（不增加成 本）。转子采用简单的钢质鼠笼结构。 ACIM设计为运行于恒定输入电压和频率条件下，但通 过改变电机输入电压频率也可使ACIM有效运行在开环 变速的应用中。 当电机不机械过载时，电机运行速度就 与输入频率大致成正比。当降低输入电压的频率时，也 应同时按比例减小电压的幅值。否则，当输入频率较低 时电机会出现过电流。这种控制方法称为压频比控制。 实际应用中，要定制一条压频关系曲线以确保电机在设 置的任何速度下都能正常工作。该关系曲线可以采用查 找表的形式或通过实时计算的方式获得。实际应用中通 常使用一个斜率变量来定义任何运行点的驱动频率和电 压之间的线性关系。运用压频比控制法时，也可配合使 用速度和电流传感器，使电机工作在闭环方式。 压频比控制方法非常适用于风机和泵等负载变化较慢的 本应用笔记详细介绍了基于dsPIC30F系列微控制器实现交流感应电机(ACIM)的矢量控制应用。矢量控制（也称为磁场导向控制，FOC），是一种先进的电机控制方法，允许对电机的磁通和转矩进行独立的解耦控制，从而实现精确和高效的电机驱动。 本笔记要求读者具备交流感应电机的基本知识。交流感应电机以其简单结构、低维护成本和耐用性广泛应用于工业和民用领域。然而，传统的压频比（V/f）控制方法虽然能够满足基本的速度控制需求，但在需要快速动态响应的应用场合，这种方法效率不高，并且容易产生过电流现象。 矢量控制技术正好解决了这个问题，它通过控制电机三相定子电流矢量来实现对转子磁通和转矩的解耦控制，使得电机在任何运行速度下均能实现高效、稳定的工作。这种方法不仅能显著降低能耗，还能提高电机的响应速度，减少瞬态电流的冲击，从而降低运行费用和驱动元件的成本。 dsPIC30F系列微控制器是Microchip公司推出的高性能数字信号控制器，它集成了数字信号处理器（DSP）的高速信号处理能力和微控制器的通用性，非常适合用于复杂控制算法的执行。该笔记介绍的矢量控制软件具有以下特点： 1. 采用间接磁通控制方法，实现了交流感应电机的矢量控制； 2. 控制环周期为50微秒时，软件需要大约9 MIPS的CPU开销，远低于CPU全部处理能力的1/3； 3. 程序需要258字节的数据存储空间和256字节的常量存储空间，总程序存储空间约8KB； 4. 该应用程序可在dsPIC30F2010微控制器上运行，这是dsPIC30F系列中体积最小、成本最低的器件之一； 5. 通过开启可选的诊断模式，可以在示波器上对内部程序变量进行实时观察，便于调试和控制参数调整。 矢量控制技术的实现涉及多个步骤，其中包括： 1. 通过传感器测量三相定子电流（ia、ib、ic）和转子机械速度； 2. 将三相电流从三相系统变换到两轴系统，这一步是通过坐标变换完成的，即把三相电流ia、ib、ic转换为两相正交系统中的变量iα和iβ； 3. 通过复杂的控制算法，实时调整iα和iβ，进而控制电机的磁通和转矩； 4. 反馈转子的速度，并利用转子的电气时间常数来间接计算无法直接测量的转子电流。 矢量控制的一个关键概念是参考坐标的变换，即从旋转的三相定子电流参考系变换到同步旋转的两相参考系。在这个新的参考系中，转子磁通看起来是静止的，因此可以通过控制稳态电流来实现期望的转矩和磁通控制。 在矢量控制中，通常需要配置三相定子电流传感器以及转子速度反馈装置，以便能够准确测量和控制电机运行状态。 矢量控制技术，尤其是通过间接矢量控制实现的策略，为交流感应电机的精确控制提供了有效手段。dsPIC30F系列微控制器的应用为电机控制提供了强大的硬件支持，使得复杂控制算法能够得到高效的实现。这种技术在风机、泵等负载变化较慢的应用场合以及需要快速动态响应的应用场合均能发挥其优点。