基于DSP 的空間電壓矢量控制在變頻調速器上的應用

0 引言

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)和微控制器技術(shù)的飛速發(fā)展，現代交流變頻調速系統技術(shù)在電機控制系統中的應用也越來(lái)越廣，采用全控型器件IGBT 的全數字控制的變頻調速器已經(jīng)實(shí)現了通用化，具有調速范圍寬、調速精度高、動(dòng)態(tài)響應快、運行效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。變頻調速器的普及應用提高了現代工業(yè)的自動(dòng)化水平，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)效率，最大限度的節約了能源，因此符合國家發(fā)展建設和諧、節約型社會(huì )的方針。

　　本文著(zhù)重分析了變頻調速器的空間電壓矢量控制原理和死區補償技術(shù)，以及DSP 控制的工程實(shí)現。

1 變頻調速器空間電壓矢量控制原理

　　1.1 變頻調速器

　　變頻調速器把固定電壓、固定頻率的交流電（工頻電源）變換為可調電壓、可調頻率的交流電，實(shí)現電機的寬范圍、連續、高效調速。常用主電路結構如圖1所示。

　　1.2 空間電壓矢量控制

　　空間電壓矢量控制是從電機的角度出發(fā)，著(zhù)眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場(chǎng)。

　　它以三相對稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)的交流電機的理想磁通圓為基準，通過(guò)逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準磁通圓，以它們比較的結果決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。該控制算法是把逆變器和電機看成一個(gè)整體來(lái)處理，所以采用的DSP 實(shí)時(shí)控制，有轉矩脈動(dòng)小、諧波少、電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　如果每周期只切換六次，磁鏈軌跡將呈現六邊形，如果要獲得逼近圓形的旋轉磁場(chǎng)，就必須在每一個(gè)仔/3 電角度間出現更多的電壓空間矢量。

　　采用不同的基本空間電壓矢量在不同的作用時(shí)間下的線(xiàn)性組合，就可以得到更多相位的磁鏈矢量，為此SVPWM 控制技術(shù)就是通過(guò)基本電壓矢量的

2 空間電壓矢量控制算法

　　由上述原理出發(fā)，要有效控制電機磁鏈軌跡，必須解決三個(gè)問(wèn)題：

　?。?）如何選擇電壓矢量；

　?。?）如何確定每個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間；

　?。?）如何確定每個(gè)電壓矢量的作用次序。

　　第一個(gè)問(wèn)題，可以選擇各扇區相鄰的基本電

　　對于第三個(gè)問(wèn)題，各扇區內電壓矢量的作用次序要保證任意一次電壓矢量的變化只能有一個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并盡可能的使開(kāi)關(guān)次數少。電壓矢量的作用次序如表圓所示，每次矢量變換只有一個(gè)橋臂動(dòng)作，每個(gè)PWM 波都是以零矢量u0a 開(kāi)始和結束，零矢量u0b 放在中間，電動(dòng)機正反轉時(shí)，每個(gè)扇區的兩個(gè)相鄰基本矢量選擇順序不變，也就是說(shuō)電動(dòng)機的正反轉只與扇區的順序有關(guān)。

　　乘加運算可以求出當前相位和當前輸出頻率f 對應的兩個(gè)基本矢量的作用時(shí)間t1、t2，再通過(guò)查表確定矢量的作用次序。

3 基于TMS320LF2407A的七段式SVPWM實(shí)現

　　TMS320LF2407A 是TI 公司專(zhuān)為電機控制而推出的專(zhuān)用控制芯片，運行頻率可達到40 MHz，提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。芯片內集成兩個(gè)事件處理模塊EVA和EVB，非常方便生成PWM的對稱(chēng)和非對稱(chēng)波形，具有硬件快速保護引腳PDPINTx和可編程的死區控制單元。片內有32 kB的FLASH 程序存儲器，2 KB 字的單口RAM，544B 的雙口DARAM，此外2407A集成了加密功能，有效地保護了程序的安全。采用TMS320LF240A生成對稱(chēng)的SVPWM 非常方便且精度高。

　　TMS320LF2407A內部集成了SVPWM脈沖調制波生成電路，但它采用的是五段式SVPWM 脈寬調制方式，電機在低速時(shí)會(huì )出現不平穩現象。本文采用軟件法生成對稱(chēng)七段式SVPWM 調制波，如圖6 所示。采用最優(yōu)SVPWM算法，并對全頻段進(jìn)行了精確死區補償，有效地提高了對電機的控制精度。

　　在TMS320LF2407A 的事件管理器EVA 中，有三個(gè)16 位帶影子寄存器的實(shí)時(shí)比較寄存器，比較寄存器的加載可以設置成定時(shí)器的值為零時(shí)；一個(gè)16 位定時(shí)器可設置為連續增減計數，并在初始化時(shí)根據設置的載波頻率來(lái)設置定時(shí)器的周期值；在初始化時(shí)還要設置引腳PWM1、3、5 高有效，PWM2、4、6 低有效。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序里只需根據SVPWM 優(yōu)化算法計算三個(gè)比較寄存器的值，簡(jiǎn)化了的流程圖如圖7所示。

　　變頻調速器輸出線(xiàn)電壓波形如圖8所示。

　　變頻調速器在低頻時(shí)輸出的電流波形如圖9，程序中采用了SVPWM 優(yōu)化算法，輸出電流正弦度較高；并在死區補償程序里采用間接電流極性判斷法，實(shí)時(shí)對PWM 值進(jìn)行補償控制，使電機實(shí)際電壓與期望電壓基本吻合，在補償切換時(shí)偏差不超過(guò)0.4 V，在低頻段實(shí)現了精確的速度控制。在每個(gè)載波周期的中斷程序里需要根據電流極性對PWM進(jìn)行正補償或負補償，電流極性的判斷至關(guān)重要，如果對電流極性判斷錯誤將引起誤補償。簡(jiǎn)單的根據電流傳感器判斷電流極性，在低頻時(shí)很容易出錯，因為在低頻輕載時(shí)，容易發(fā)生零電流箝位現象，電流發(fā)生畸變。采用間接電流極性判斷法將輸出電流傳感器瞬時(shí)值通過(guò)坐標變換轉換到旋轉坐標系（M 軸與電壓矢量重合，T 軸逆時(shí)針旋轉90毅），這樣交流電流就轉換成直流量，濾波處理后通過(guò)簡(jiǎn)單的計算就可求出電流矢量與電壓矢量的相對角度及幅值，再通過(guò)查表或計算就可確定補償量（與死區時(shí)間、二極管壓降、IGBT壓降有關(guān)）及補償方向。

4 結語(yǔ)

　　SVPWM 控制輸出電壓比正弦波調制提高15% ， 提高了電源電壓利用率， 采用TMS320LF2407A實(shí)現SVPWM優(yōu)化控制，實(shí)時(shí)性好。風(fēng)光變頻調速器經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其控制算法不斷優(yōu)化，功能不斷完善，實(shí)際應用中得到廣大用戶(hù)的好評，在冶金、電力、煤礦、發(fā)酵等行業(yè)得到廣泛應用，并在2007年被評為國家名牌產(chǎn)品。