基于TMS320LF2407A的SVPWM變頻系統

　　近年來(lái)，變頻技術(shù)飛速發(fā)展，脈寬調制(PWM)技術(shù)在變頻器中已經(jīng)得到了廣泛的應用。把逆變器和異步電機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場(chǎng)來(lái)控制PWM電壓，使得磁鏈的軌跡靠電壓空間矢量相加得到，由此產(chǎn)生了電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術(shù)。使用該方法能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成分及電動(dòng)機的諧波損耗，降低了轉矩的脈動(dòng)。由于其控制簡(jiǎn)單、噪聲低、電壓利用率高、方便實(shí)現數字化等優(yōu)點(diǎn)，目前已有取代傳統SPWM控制的趨勢。

　　TMS320LF2407A是TI公司推出的專(zhuān)用電機控制芯片的高端產(chǎn)品，他將DSP的高速處理性能和電機控制的必備外圍電路集于一身，為電機控制系統的整個(gè)數字化提供了一個(gè)完美的解決方案。

    1 電壓空間矢量技術(shù)的原理及實(shí)現方法

　　電壓空間矢量脈寬調制技術(shù)(SVPWM，也稱(chēng)為磁通正弦PWM)是從電動(dòng)機的角度出發(fā)，著(zhù)眼于使電機獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，即正弦磁通。他以三相對稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)的理想圓形磁通軌跡為基準，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準磁通圓，從而達到較高的控制性能。

　　實(shí)現SVPWM的方法有磁鏈圓軌跡法、電壓矢量合成法等。在這里采用了電壓矢量合成法，即采用2個(gè)非零矢量和2個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量。如圖1所示，在某個(gè)時(shí)刻Wout旋轉到某個(gè)扇區中，就由組成這個(gè)扇區的2個(gè)非零矢量Ux和Ux+60分別作用于T1，T2時(shí)間，先作用Ux的稱(chēng)為主矢量，后作用的Ux+60稱(chēng)為輔矢量，時(shí)間分解如圖2(a)所示，為了計算方便本文采用圖2(b)去等效圖2(a)。

　　依圖2(b)有：

　　式中Tc為采樣周期。

　　取調制度：

　　故可得：

　　由此可見(jiàn)，在SVPWM中，調制度最大可取到1.15，這比SPWM所能達到的Mmax=1.O高出15%，使電源的利用率更高，這是SVPWM控制方式的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。

　　2基于TMS320LF2407A的SVPWM波形的產(chǎn)生

　　本文采用TI公司專(zhuān)為電機控制而推出的專(zhuān)用控制芯片TMS320LF2407A，產(chǎn)生恒壓頻比控制下的SVPWM波形。

　　事件管理模塊是整個(gè)控制系統的關(guān)鍵，首先要對他進(jìn)行正確的配置。

　　首先將定時(shí)器設置成連續增/減計數方式，將PWM載波周期的一半作為周期寄存器的值。一開(kāi)始，計數器做增計數，當計數值與周期寄存器的值相等或上溢時(shí)就變?yōu)闇p計數;當計數器的值減到零時(shí)又變?yōu)樵鲇嫈?。在計數器增計數的過(guò)程中，如果計數值等于比較寄存器的值，則PWM引腳上發(fā)生跳變，而在計數器減計數的過(guò)程中，再次計數到與比較寄存器的值相等時(shí)，PWM引腳上就會(huì )發(fā)生與剛才相反的跳變。這樣，只要改變比較寄存器的值，既可以改變輸出脈沖的寬度，實(shí)現脈沖寬度的調制。同時(shí)可以看出，比較值的改變影響PWM脈沖的雙邊，這就是對稱(chēng)PWM波形的特點(diǎn)。

　　如果比較值等于0，則PWM引腳輸出始終為1;如果增計數和減計數時(shí)的比較值都≥周期值，則PWM輸出引腳保持為0。

　　在事件管理器的初始化程序中，為了產(chǎn)生對稱(chēng)PWM波形，需將將定時(shí)器1配置成連續增/減計數方式，且使用內部時(shí)鐘作為定時(shí)計數器的計數時(shí)鐘;將PWM1，PWM3，PWM5設置成高有效，PWM2，PWM4，PWM6設置成低有效。即當發(fā)生比較匹配(比較值=計數值)時(shí)，引腳PWM1，PWM3，PWM5上輸出正脈沖，而PWM2，PWM4，PWM6引腳上輸出負脈沖。在本程序中，生成SVPWM波形時(shí)使用的是異步調制法，即載波頻率不變，只是調制信號的頻率在變化?？紤]到三相逆變器對PWM信號載波頻率的要求，取載波頻率為2.5 kHz，于是，載波周期就等于400μs。事件管理器的計數時(shí)鐘為CPU時(shí)鐘(40 MHz)的2分頻--20 MHz，所以，載波周期的值就應為400μs(8 000*1/20 MHz=400μs)，周期寄存器的值就應為200μs(載波周期的一半)。為了避免三相逆變器同一橋臂上的上下兩只IGBT同時(shí)導通而造成短路，需在PWM信號中加入一定的死區，本程序中的死區時(shí)間設為2.0μs。

　　由于定時(shí)器2用于正交編碼計數，故需將定時(shí)器2設為定向的增/減模式，并使用正交編碼脈沖作為計數脈沖。

　　3 軟件設計

　　軟件設計的基本思想是結合串口控制和DSP各自的優(yōu)點(diǎn)，利用控制面板方便的輸入、輸出功能和DSP的高速運算能力，將任務(wù)進(jìn)行合理分配。同時(shí)亦可利用筆記本電腦的串口及專(zhuān)用的串口設置程序進(jìn)行電機運行的必要設定。上位機的監控界面使用Visual Foxpro編寫(xiě)，此監控界面可以實(shí)現變頻器的實(shí)時(shí)速度設定，并且可以對下位DSP運行情況，及外部狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。如遇到故障可進(jìn)行故障報警并及時(shí)終止程序，保護硬件設備不受損壞。此界面里的數據只有獲得權限的工作人員才能使用，這樣有效地實(shí)現了系統參數的保護。DSP的系統軟件由主程序和中斷服務(wù)子程序構成。

　　主程序在完成系統初始化之后進(jìn)入循環(huán)，等待中斷的發(fā)生。當串行口中斷發(fā)生時(shí)，進(jìn)行控制面板與LF2407A的數據接收和發(fā)送。接收串口的啟動(dòng)、實(shí)時(shí)速度設定命令、同時(shí)檢測電流、轉速和發(fā)出6路PWM脈沖在DSP的定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中完成;串口中斷同時(shí)定期的接收上位機的查詢(xún)狀態(tài)指令，這時(shí)DSP通過(guò)串口發(fā)送目前電機運轉的信息如目前實(shí)際轉速，以及檢測到的定子電流信息等。在此程序中，串口對DSP設定的電機運轉命令的大小是由主設定和輔助設定來(lái)來(lái)完成的。主設定和輔助設定之間的關(guān)系是主設定與輔助設定的和，是最終設定在電機運轉程序中的給定。在這里，主設定是對電機轉速粗略設定的作用，輔助設定則起到的作用是細微調節的作用。這樣的處理實(shí)現設定速度與實(shí)際所測得的轉速一致，以達到實(shí)現轉速精確控制的目的。主程序流程圖如圖4所示。

　　4 結 語(yǔ)

　　用TMS320LF2407A實(shí)現SVPWM的變頻控制系統，經(jīng)過(guò)電壓空間矢量PWM技術(shù)與DSP技術(shù)的結合，使電動(dòng)機轉矩脈動(dòng)降低，消除諧波效果比SPWM要好，可以提高電壓利用率。硬件電路結構簡(jiǎn)單，SVPWM的實(shí)現更加方便、準確，更接近于理想正弦磁通控制。

　　采用1臺鼠籠式異步電動(dòng)機，參數為：額定功率1.5kW，額定電流2.75 A，額定電壓220 V，額定轉速1 500 r/min。在空載情況下，相電流非常接近正弦波，實(shí)現了恒轉矩控制。當系統的轉矩突然發(fā)生變化時(shí)，系統的轉速、相電流響應快速，穩態(tài)誤差接近5%。通過(guò)實(shí)踐應用證明，本系統具有良好的動(dòng)/靜態(tài)性能，結構簡(jiǎn)單、可靠性及控制精度高、響應速度快，為DSP在運動(dòng)控制領(lǐng)域的應用打下了基礎。