SPMC75實(shí)現交流變頻驅動(dòng)控制

1 引言

系統輸入電源電壓為AC110V/AC220V，經(jīng)全波整流后供系統使用。系統使用 Sunplus公司的SPMC75F2413A產(chǎn)生AC三相異步電機的VVVF控制所需的SPWM信號,并完成系統控制。使用智能功率模塊實(shí)現電機的功率驅動(dòng)。在A(yíng)C220V輸入時(shí)，系統最大能驅動(dòng)1.5KW的負載。系統的變頻區間為2Hz~200Hz。

2 系統框圖

系統結構如圖2-1所示，主要由變頻電機、電源供給、IPM功率放大、IPM隔離驅動(dòng)、SPMC75F2413A組成的控制核心幾部分構成。

圖 2-1 系統結構圖

3 感應馬達V/F控制

3.1 功能描述

利用SPMC75F2413A的TMR3實(shí)現AC 三相異步電機的V/F開(kāi)環(huán)控制。使用DDS（直接數字頻率合成）的方式產(chǎn)生控制所需要的三相SPWM。根據電機的V/F曲線(xiàn)隨頻率自動(dòng)調整輸出電壓的大小。由于DDS固有的特點(diǎn)，在進(jìn)行頻率調整的過(guò)程中相位是連續的，用戶(hù)可以在任何時(shí)候更改輸出頻率而不需關(guān)心當前的相位問(wèn)題。同時(shí)，用戶(hù)可以根據自己需要更換波形數據表而實(shí)現非正弦的波形輸出。

3.2 設計原理

3.2.1 感應馬達V/F控制原理

在電機調速時(shí)，最重要是要保持磁通為額定值不變。在直流電機中，勵磁系統獨立，只要對電樞進(jìn)行合適的補嘗，保持不變很容易。而在交流異步電機中，磁通是定子和轉子的磁勢合成的。而且滿(mǎn)足：

（3--1）

式中：
--氣隙磁通在定子每相中的感應電動(dòng)勢的有效值；
--定子頻率；
--定子每相繞組的串聯(lián)匝數；
--基波繞組系數；
--每極氣隙磁通量；

由式（2--1）可知，只要控制好和，便可達到控制磁通的目的，為此，得考慮基頻以下和基頻以上兩種工作情況。

1.基頻以下調速

由式（2--1）可知，只要保持為常值，就可以保持不變。但是，繞組中的感應電動(dòng)勢是很難直接控制的，在電動(dòng)勢較高時(shí)可以忽略定子繞組的阻抗壓降而認定，則有 = 常值；在低頻時(shí)和都比較小，這時(shí)不能忽略，可以人為的抬高去補嘗定子繞組的阻抗壓降。

2.基頻以上調速

當基頻以上調速時(shí)，頻率往上升高，但卻不能比額定電壓還要大，頂多只能使 =。因此，由式（3--1）可知，這將迫使磁通與頻率成反比，相當于直流電機弱磁升速的情況。

將以上二種情況結合起來(lái)就可以得到異步電機如圖 3-1所示的變頻調速特性。同時(shí)這也是變頻電機調速的V/F曲線(xiàn)圖。在實(shí)際運用中，V/F開(kāi)環(huán)控制也是沿著(zhù)這條曲線(xiàn)進(jìn)行的。

圖 3-1 三相感應電機的V/F曲線(xiàn)

3.2.2 正弦波生成原理

要使三相感應馬達正常運行，需要使其電樞繞組通以三相交變電流，以產(chǎn)生圓形旋轉磁場(chǎng)。產(chǎn)生三相交變電流的方法有很多，本例中使用SPWM來(lái)產(chǎn)生三相正弦電流。圖 3-2 是三相SPWM生成原理

圖 3-2 三相SPWM生成原理

本例使用DDS（直接數字頻率合成）的方式產(chǎn)生SPWM。如圖3 -3 所示，整個(gè)系統是一個(gè)典型的DDS頻率合成系統，只不過(guò)用PWM發(fā)生模塊去替換了傳統的DAC。在本系統中波形數據表的大小為1024點(diǎn)，PWM載波頻率為10KHz。波形數據表取1024點(diǎn)一是為了計算方便，因為在相位累加后查表的過(guò)程中有一個(gè)相位截取的操作（我們的相位累加器是16位的，而波形數據表是1024點(diǎn)--10位），為了加快這一處理過(guò)程，選用以大小的表有利于加快處理過(guò)程，以盡量節約CPU的運算時(shí)間。同時(shí)當波形數據表為1024點(diǎn)時(shí)，波形發(fā)生過(guò)程中的理論的最大相位誤差這樣加上軟件處理過(guò)程中引起的一些相位抖動(dòng)，最大的相位誤差也不會(huì )超過(guò)。同時(shí)，在三相同時(shí)產(chǎn)生時(shí)，由于表的大小是，不是3的整數倍，因此代表和相位差的常數會(huì )有的誤差，會(huì )使三相之間的相位關(guān)系不是整好的和，但誤差不會(huì )超過(guò)。還有，較大的數據表有利于保證低頻時(shí)的波形精度。

圖 3-3 三相SPWM生成原理圖

注意：本例所討論的一些公式都是保證波形的幅度精度比相位精度高情況。實(shí)際上，當幅度精度變差時(shí)，相位誤差會(huì )變大。本例中的波形數據表不限于標準的正弦表，用戶(hù)可以根據自己的需要決定自己的波形。如加入三次諧波的增強型波形等。在V/F控制中，當頻率比基頻低時(shí)，調制系數小于1，有效樣點(diǎn)數會(huì )比實(shí)際樣點(diǎn)數少，因為幅度調制使波形的幅度分辯率下降，會(huì )出現樣點(diǎn)重復的情況。因此，建議用戶(hù)在低頻時(shí)提高 PWM的分辨率。

4 軟件說(shuō)明

系統的軟件部分主要是完成AC變頻馬達的V/F開(kāi)環(huán)變頻驅動(dòng)功能，主要包括SPWM發(fā)生的中斷服務(wù)函數，DMC通信協(xié)調等幾個(gè)部分。

4.1 主流程與說(shuō)明

主程序在完成系統初始化以后，就不斷檢測有沒(méi)有來(lái)自PC的控制信息，如果有便完成相應的控制功能，沒(méi)有就繼續檢測。

主程序主要完成各個(gè)模塊的初始化，而后便監視UART的數據接收情況，如果收到了有效的波形參數數據，則調用SPMC75_SPWM_VF_account (unsigned int F,unsigned int Kvf,int Moto) 對波形參數進(jìn)行預置更新，而波形數據將在預置更新完成后的第一個(gè)PWM周期中斷中完成波形數據更新操作。主程序流程如圖 4-1所示。

圖 4-1 主程序流程

4.2 中斷子流程與說(shuō)明

進(jìn)入PWM的周期中斷片后，程序首先判斷有沒(méi)有新的波形參數設置，如果沒(méi)有就直接進(jìn)入DDS頻率合成，如果有則先更新波形參數（相位增量和幅度調制系數），而后進(jìn)入DDS頻率合成。DDS合成是在每一次PWM的周期中斷，波形相位在原相位的基礎上加上用戶(hù)設置的相位增量值N（這個(gè)值正比于波形頻率），而后查出這個(gè)相位所對應的幅度值，同時(shí)還查出距這個(gè)相位120度和240度的二個(gè)相位對應的幅度值，最后將這三個(gè)值分別乘以幅度調制系數AM后送入PWM產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應占空比的PWM信號。其流程圖如圖 4-2所示。

圖4-2 TMR3周期中斷服務(wù)流程