基于DSP的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

　　O 引言

　　目前交流調(diào)速電氣傳動已經(jīng)成為電氣調(diào)速傳動的主流。隨著現(xiàn)代交流電機(jī)調(diào)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(jī)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速取得了突破性的進(jìn)展。

　　恒壓頻比(U/F=常數(shù))的控制方式是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)，所以通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)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(yīng)用在風(fēng)機(jī)、泵類的調(diào)速系統(tǒng)中。

　　電壓空間矢量法(SVPWM)，也叫“磁鏈跟蹤控制”，和經(jīng)典的SPWM控制著眼于輸出電壓盡量接近正弦波不同，它是從電動機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

　　本系統(tǒng)設(shè)計了以TMS320LF2407A為中央處理器的硬件平臺，通過SVPWM控制方法對交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒壓頻比控制。并在此基礎(chǔ)上給出了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

　　1 空間電壓矢量PWM原理

　　理論分析表明：三相對稱正弦電壓產(chǎn)生幅值恒定、以恒轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量，而這種電壓空間矢量加到電機(jī)上時將產(chǎn)生幅值恒定、以恒轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的定子磁鏈空間矢量，且定子磁鏈?zhǔn)噶宽旤c(diǎn)的運(yùn)動軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場。因此，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡問題。

　　SVPWM法就是從電動機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和交流電動機(jī)視為一體，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

　　1.1 基本電壓空間矢量

　　圖1是一個通用的電壓型PWM逆變電路。

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

　　8個開關(guān)模式分別對應(yīng)8種基本電壓矢量。根據(jù)其相位角的特點(diǎn)分別命名為：O000、U0、U60、U120、U180、U240、U300、O111。按6個有效工作矢量將電壓矢量空間分為對稱的6個扇區(qū)，如圖2所示：

　　1.2 電壓空間矢量的合成

　　每個有效工作矢量在一個周期內(nèi)只作用一次的方式只能生成正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場，如果設(shè)法使定子里形成正多邊形旋轉(zhuǎn)磁場，我們就可以得到近似的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。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(zhuǎn)磁場，就須有更多的逆變器開關(guān)狀態(tài)。我們可以利用六個非零的基本電壓空間矢量的線性時間組合來得到更多的開關(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個扇區(qū)中，當(dāng)期望的輸出電壓矢量落在某個扇區(qū)時，就用該扇區(qū)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(zhuǎn)角速度就是輸出正弦電壓的角頻率。Uout可由Ux和Ux±60線性時間組合來合成，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和作用的時間;Tpwm是Uout作用的時間。

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

　　2 基于DSP的變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　設(shè)計的系統(tǒng)以TMS320LF2407A為核心控制器，電路組成包括主電路、系統(tǒng)保護(hù)電路和控制電路三大部分，其總體設(shè)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(qū)動電路組成。主電路工作原理是把三相交流電源通過三相橋式整流電路變換為脈動的直流電壓，再經(jīng)過大電容C濾波后成為平滑、穩(wěn)定的直流電壓。再通過IPM逆變電路將該直流電壓變換為頻率、電壓均可調(diào)的交流電，形成PWM波，提供給負(fù)載電機(jī)。

　　系統(tǒng)保護(hù)電路包括泵升電壓控制，過壓、欠壓保護(hù)，限流啟動和IPM故障保護(hù)等。過壓、欠壓保護(hù)是利用電阻分壓采集母線電壓，與規(guī)定值相比較，以保證電壓型逆變器母線電壓穩(wěn)定;限流啟動是為了防止開啟主回路時瞬間的大電流可能會損壞整流電路中的二極管，在主回路上串聯(lián)一個限流電阻R，當(dāng)電容電壓達(dá)到規(guī)定值時，通過繼電器把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(tǒng)電路、光耦隔離電路等。最小系統(tǒng)由DSP本身和外擴(kuò)的數(shù)據(jù)SRAM、程序SRAM、復(fù)位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)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(qiáng)電信號進(jìn)行可靠隔離。

　　3 基于DSP的變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

　　一個電壓空間矢量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，一般在減少開關(guān)次數(shù)的同時，盡量使PWM輸出波形對稱，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段相鄰的兩個非零矢量組成，將零矢量分別置于PWM波的開始、中間和結(jié)尾。

　　在這個程序中，調(diào)制波頻率f由外部輸入，并假設(shè)已經(jīng)通過f/50 Hz轉(zhuǎn)化成頻率調(diào)節(jié)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(xiàn)調(diào)制波頻率O～50Hz變頻功能、死區(qū)功能。死區(qū)時間1.6μs。DSP晶振10MHz，內(nèi)部2倍頻，時鐘頻率為20MHz，計數(shù)周期為50ns。

　　3.1 主程序設(shè)計

　　主程序的工作是初始化，并將外部輸入的頻率調(diào)節(jié)比轉(zhuǎn)換成角頻率。根據(jù)U/F曲線確定參考電壓的幅值。

　　3.2 中斷子程序的設(shè)計

　　中斷子程序的工作是在每一個PWM周期里，計算出下一個PWM周期的三個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(yàn)結(jié)果

　　基于以上軟、硬件設(shè)計，構(gòu)成變頻器對交流異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。實(shí)驗(yàn)對象為鼠籠式異步電機(jī)，其參數(shù)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(yàn)中的波形由數(shù)字示波器測得。實(shí)驗(yàn)過程測試了在不同頻率輸出時電機(jī)的電流，從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，其輸出電流基本是正弦波。

　　5 結(jié)束語

　　本文在空間電壓矢量控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，給出了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。通過試驗(yàn)表明，此系統(tǒng)控制性能和精度良好。