基于DSP的交流電機變頻調速系統設計

　　目前交流調速電氣傳動(dòng)已經(jīng)成為電氣調速傳動(dòng)的主流。隨著(zhù)現代交流電機調速控制理論的發(fā)展和電力電子裝置功能的完善，特別是微型計算機及大規模集成電路的發(fā)展，交流電機調速取得了突破性的進(jìn)展。

　　恒壓頻比(U/F=常數)的控制方式是轉速開(kāi)環(huán)控制，無(wú)需速度傳感器，控制電路簡(jiǎn)單，負載可以是通用標準異步電動(dòng)機，所以通用性強，經(jīng)濟性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式，普遍應用在風(fēng)機、泵類(lèi)的調速系統中。

　　電壓空間矢量法(SVPWM)，也叫“磁鏈跟蹤控制”，和經(jīng)典的SPWM控制著(zhù)眼于輸出電壓盡量接近正弦波不同，它是從電動(dòng)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)。

　　本系統設計了以TMS320LF2407A為中央處理器的硬件平臺，通過(guò)SVPWM控制方法對交流電機實(shí)現恒壓頻比控制。并在此基礎上給出了變頻調速控制系統的軟件設計。

　　1 空間電壓矢量PWM原理

　　理論分析表明：三相對稱(chēng)正弦電壓產(chǎn)生幅值恒定、以恒轉速旋轉的電壓空間矢量，而這種電壓空間矢量加到電機上時(shí)將產(chǎn)生幅值恒定、以恒轉速旋轉的定子磁鏈空間矢量，且定子磁鏈矢量頂點(diǎn)的運動(dòng)軌跡形成圓形的空間旋轉磁場(chǎng)。因此，電動(dòng)機旋轉磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題可轉化為電壓空間矢量的運動(dòng)軌跡問(wèn)題。

　　SVPWM法就是從電動(dòng)機的角度出發(fā)，把逆變器和交流電動(dòng)機視為一體，著(zhù)眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場(chǎng)。

　　1.1 基本電壓空間矢量

　　圖1是一個(gè)通用的電壓型PWM逆變電路。

　　圖中的V0-V5是6個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，a、b、c分別代表三個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。對于每一個(gè)橋臂都有兩種工作狀態(tài)，“上管導通，下管關(guān)斷”，稱(chēng)為“1”狀態(tài)，“下管導通，上管關(guān)斷”，稱(chēng)為“0”狀態(tài)。三個(gè)橋臂只有“1”或“0”兩種狀態(tài)，因此a、b、c形成000、001、010、011、100、101、110、111共八個(gè)開(kāi)關(guān)模式。其中000和111開(kāi)關(guān)模式稱(chēng)為零狀態(tài)。

　　8個(gè)開(kāi)關(guān)模式分別對應8種基本電壓矢量。根據其相位角的特點(diǎn)分別命名為：O000、U0、U60、U120、U180、U240、U300、O111。按6個(gè)有效工作矢量將電壓矢量空間分為對稱(chēng)的6個(gè)扇區，如圖2所示：

　　1.2 電壓空間矢量的合成

　　每個(gè)有效工作矢量在一個(gè)周期內只作用一次的方式只能生成正六邊形的旋轉磁場(chǎng)，如果設法使定子里形成正多邊形旋轉磁場(chǎng)，我們就可以得到近似的圓形旋轉磁場(chǎng)。而且，正多邊形的邊越多，近似程度就越好。

　　但是如果想獲得盡可能多的多邊形旋轉磁場(chǎng)，就須有更多的逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)。我們可以利用六個(gè)非零的基本電壓空間矢量的線(xiàn)性時(shí)間組合來(lái)得到更多的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這就是電壓空間矢量PWM的基本思想。

　　在電壓矢量空間的6個(gè)扇區中，當期望的輸出電壓矢量落在某個(gè)扇區時(shí)，就用該扇區的兩條邊等效合成期望的輸出矢量。

　　在圖3中，Ux和Ux±60代表相鄰的兩個(gè)基本電壓空間矢量;Uout是輸出的參考相電壓矢量，其幅值代表相電壓的幅值，其旋轉角速度就是輸出正弦電壓的角頻率。Uout可由Ux和Ux±60線(xiàn)性時(shí)間組合來(lái)合成，它等于t1/Tpwm倍的Ux與t2/Tpwm倍的Ux±60的矢量和。其中t1和t2分別是Ux和Ux±60和作用的時(shí)間;Tpwm是Uout作用的時(shí)間。

　　由期望輸出電壓矢量的幅值及位置可確定相鄰的兩個(gè)基本電壓矢量以及它們作用時(shí)間的長(cháng)短，并由此得出零矢量的作用時(shí)間大小。

　　2 基于DSP的變頻調速系統硬件電路設計

　　設計的系統以TMS320LF2407A為核心控制器，電路組成包括主電路、系統保護電路和控制電路三大部分，其總體設計圖如圖4所示。

　　其中主電路部分由整流電路、濾波電路、逆變電路租IPM驅動(dòng)電路組成。主電路工作原理是把三相交流電源通過(guò)三相橋式整流電路變換為脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)過(guò)大電容C濾波后成為平滑、穩定的直流電壓。再通過(guò)IPM逆變電路將該直流電壓變換為頻率、電壓均可調的交流電，形成PWM波，提供給負載電機。

　　系統保護電路包括泵升電壓控制，過(guò)壓、欠壓保護，限流啟動(dòng)和IPM故障保護等。過(guò)壓、欠壓保護是利用電阻分壓采集母線(xiàn)電壓，與規定值相比較，以保證電壓型逆變器母線(xiàn)電壓穩定;限流啟動(dòng)是為了防止開(kāi)啟主回路時(shí)瞬間的大電流可能會(huì )損壞整流電路中的二極管，在主回路上串聯(lián)一個(gè)限流電阻R，當電容電壓達到規定值時(shí)，通過(guò)繼電器把R短路，主回路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

　　控制電路包括DSP最小系統電路、光耦隔離電路等。最小系統由DSP本身和外擴的數據SRAM、程序SRAM、復位電路、晶振、譯碼電路、電源轉換電路組成，光耦隔離電路是為了把DSP輸出的弱電信號和主電路的強電信號進(jìn)行可靠隔離。

　　3 基于DSP的變頻調速系統軟件設計

　　TMS320LF2407A DSP最大的特點(diǎn)是內置了一個(gè)功能強大的事件管理器模塊(Event Manager)。EM模塊中有內置的硬件電路以最大限度地簡(jiǎn)化對稱(chēng)空間向量PWM波形的產(chǎn)生。

　　一個(gè)電壓空間矢量PWM波的生成，對零矢量使用方法很靈活。通常以開(kāi)關(guān)損耗較小和諧波分量較小為原則，安排基本矢量和零矢量的作用順序，一般在減少開(kāi)關(guān)次數的同時(shí)，盡量使PWM輸出波形對稱(chēng)，以減少諧波分量。

　　本文采用最常用的是七段式電壓空間矢量PWM波形，它由3段零矢量和4段相鄰的兩個(gè)非零矢量組成，將零矢量分別置于PWM波的開(kāi)始、中間和結尾。

　　在這個(gè)程序中，調制波頻率f由外部輸入，并假設已經(jīng)通過(guò)f/50 Hz轉化成頻率調節比的形式。程序中的載波頻率和采樣頻率都是20MH-z?？梢詫?shí)現調制波頻率O～50Hz變頻功能、死區功能。死區時(shí)間1.6μs。DSP晶振10MHz，內部2倍頻，時(shí)鐘頻率為20MHz，計數周期為50ns。

　　3.1 主程序設計

　　主程序的工作是初始化，并將外部輸入的頻率調節比轉換成角頻率。根據U/F曲線(xiàn)確定參考電壓的幅值。

　　3.2 中斷子程序的設計

　　中斷子程序的工作是在每一個(gè)PWM周期里，計算出下一個(gè)PWM周期的三個(gè)比較寄存器的比較值，并送入到比較寄存器中。三相SVPWM波由DSP的PWM1～6引腳輸出。

　　4 實(shí)驗結果

　　基于以上軟、硬件設計，構成變頻器對交流異步電機進(jìn)行變頻調速。實(shí)驗對象為鼠籠式異步電機，其參數如下：型號：JO-11-2，額定功率1kW，額定電壓380V，額定電流：2.31A。實(shí)驗中的波形由數字示波器測得。實(shí)驗過(guò)程測試了在不同頻率輸出時(shí)電機的電流，從實(shí)驗波形可以看出，其輸出電流基本是正弦波。

　　5 結束語(yǔ)

　　本文在空間電壓矢量控制技術(shù)的基礎上，設計了轉速開(kāi)環(huán)的變頻調速控制系統，給出了變頻調速控制系統的軟件設計。通過(guò)試驗表明，此系統控制性能和精度良好。