基于DSP的三相SVPWM变频调速系统的设计

课程设计用纸教师批阅：i基于DSP的三相SVPWM变频调速系统的设计摘要根据电压矢量的基本原理，利用TMS320LF2407A，对电流采样、速度检测、驱动保护以及控制系统进行软件设计。设计出基于DSP控制系统的SVPWM的变频调速系统控制器。使得逆变电源的智能化程度更高，性能更加完美。关键词：DSP；SVPWM；变频调速系统课程设计用纸教师批阅：ii目录第1章设计目的及意义..................................................................1第2章SVPWM基本原理...............................................................22.1电压空间矢量脉宽调制法（SVPWM）...................22.2电压空间矢量技术的基本原理..................................32.2.1三相逆变器输出电压的矢量表示...................32.2.2磁链轨迹的控制...............................................52.3SVPWM波的生成......................................................6第3章系统方案及硬件设计..........................................................83.1系统方案......................................................................83.2主电路设计..................................................................93.3PWM驱动电路.........................................................103.4故障保护电路............................................................113.5键盘和液晶................................................................12第4章系统软件设计....................................................................14第5章设计总结............................................................................15参考文献..........................................................................................16附录程序清单................................................................................17课程设计用纸教师批阅：1第1章设计目的及意义训练学生正确地应用运动控制系统，培养解决工业控制、工业检测等领域具体问题的能力；通过课程设计，熟悉运动控制系统应用系统开发、研制的过程，软硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤；对学生进行基本技能训练，例如组成系统、编程、高度、绘图等，使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。课程设计用纸教师批阅：2第2章SVPWM基本原理2.1电压空间矢量脉宽调制法（SVPWM）随着电力电子器件和微电子技术的迅速发展，以及高性能控制方法在交流调速系统中的应用，交流调速系统的发展非常迅速。特别是采用了专为电机控制开发的数字信号处理器DSP为核心的全数字化控制系统，为高性能的控制方法提供了可靠的硬件环境。这种DSP集中了电动机控制所必须的可增加死区和灵活多变的多路PWM信号发生器，高速高精度ADC，以及用于电机速度和位置反馈的编码器接口等电路。目前国内外应用于工业生产领域的变频器，很多都把DSP作为控制核心，充分利用其高速运算能力和强大的控制功能以实现高性能的变频控制。电压空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)为交流电机的一种控制方法，电压空间矢量PWM方法和普通的正弦PWM方法不同，它是从电机的角度出发，把电机和逆变器看作一个整体考虑，不简单从得到电压电流正弦出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。其以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（spacevectorPWM，SVPWM）控制”。SVPWM较之于SPWM，SVPWM在输出电压或电机线圈的电流都将产生更少的谐波，提高了对电压源逆变器直流供电电源的利用率。提高了电压型逆变器的电压利用率和电动机的动态响应性能，同时减少了电动机的转矩脉动，简单的矢量模式切换更易于数课程设计用纸教师批阅：3字化实现。由于该控制方法把逆变器和异步电机看作一个整体来处理，所用到的数学模型和数字算法均很简单，便于微处理器实时控制，且具有转矩脉动小，噪声低、直流电压利用率高、开关频率低的优点，因此目前无论在开环调速系统或闭环调速系统中均得到广泛的应用。2.2电压空间矢量技术的基本原理2.2.1三相逆变器输出电压的矢量表示图2.1所示电路为三相逆变器供电给异步电动机的原理图。图中有6个功率开关管，当当上桥臂开关管处于“开”状态，下桥臂开关管处于“关”状态时，则用“1”表示；当下桥臂开关管处于“开”状态，上桥臂开关管处于“关”状态时，则用“0”表示。三个桥臂共有000、001、010、011、100、101、110、111八种开关模式，其中000、111开关模式使逆变器输出电压为零，称这两种开关模式为零状态。只要控制这些基本空间矢量的组合，同时再将零矢量合理分配，就能使瞬态输出空间电压矢量按一定的圆形轨迹旋转。图2.1三相逆变器主电路电压源逆变器可由图2.2所示的6个开关来等效表示。如图2.2所示，当上桥臂开通、下桥臂关断时，即Sa=1时，2dcUU；当课程设计用纸教师批阅：4上桥臂关断、下桥臂开通时，即Sa=0时，2dcUU。Sc亦同。逆变器的8种开关模式对应有8个电压空间矢量。采用23坐标变换，将三相电压变换到d-q轴系。WVUScSbSaV2132232WVU（2.1）式中：jej23213/2通过不同的矢量组合可以合成新矢量，设相邻两个有效矢量V1和Vm，零矢量为Vo，合成新矢量Vout，矢量作用时间分别是T1、Tm、To。Tpwm是PWM脉宽周期。合成新矢量的表达式为pwmoutmmTVTVTVTV0011（2.2）pwmmTTTT10（2.3）矢量分别投影到横、纵坐标轴，得cos2132321pwmoutmdcdcTVTUTU（2.4）图2.2逆变器等效图课程设计用纸教师批阅：5sin3232pwmoutindcTVTU（2.5）整理可得SVPWM的基本公式为3sin21pwmdcoutTUVT（2.6）sin2pwmdcoutmTUVT（2.7）2.2.2磁链轨迹的控制逆变器按照所示电压依次输出给电动机供电，则电动机定子磁链矢端的运动轨迹将是一个正六边形，而不是所希望的圆形磁场，电动机电流波形将会出现较大的尖峰。从而改善点击电流波形和提高电力电子半导体器件的实用效率的角度考虑，可以适当提高开关频率，这样可以利用空间矢量的线性持续时间组合使产生的磁链轨图2.3基本空间电压矢量迹逼近圆形。若逆变器的采样周期为T，则有：321tttT（2.8）其中t1,t2为某两个非零空间电压矢量在采样周期内作用的时间，t0为零矢量作用的时间。由积分近似公式有：2211*tVtVTV（2.9）课程设计用纸教师批阅：6V*为正弦电压设定值，V*T为在第k个采样周期的磁链设定值的增量，V1t1和V2t2为电压矢量V1和V2分别在各自的作用时间里所产生的磁链增量。由正弦定理得：)60sin(sin120sin2211*tVtVTV（2.10）由此可推证：2101160sin)60sin(t60sinsintttTtTT（2.11）式[10]中α为调制比；γ为V*与V2之间的夹角。只要调整t1、t2、t0的作用时间，就可以达到变频调速的目的。此外，为了使磁链的运动速度平滑，零矢量不是集中加入，而是将零矢量平均分成几份，多点地插入到磁链轨迹中，但作用时间和仍为t0，这样就可以减少电动机的转矩的脉动。γV*T2V2t2V1t1图2.4空间矢量的线性合成2.3SVPWM波的生成只要给定输出频率、输出线电压、直流母线电压后，就可以生成SVPWM，步骤如下。1.连续不断地合成新的矢量，就能令电机产生圆形的磁场。课程设计用纸教师批阅：7新矢量的角度递增关系为pwmT（2.12）式中：角频率f/2，f是输出频率。2.根据角度a落在6个不同区间，选择不同的有效矢量V1和Vmo。3.有效矢量V1和Vm作用的先后次序，决定磁场的旋转方向，最终决定电机是正转或反转。4.根据SVPWM生成方案，交由SVPWM状态机计算，得到计算结果。课程设计用纸教师批阅：8第3章系统方案及硬件设计3.1系统方案异步电机变频调速系统硬件框图如图3.1所示。系统主要由主电路模块和控制模块两部分组成。主电路采用交－直－交电压型逆变电路，主要由整流电路、滤波电路及智能功率逆变电路组成，逆变电路则由IPM模块来完成。控制电路以DSP为核心，完成SVPWM算法，实现人机交互功能，同时，DSP还监控整个系统的运行状态，当系统出现故障时，DSP封锁PWM输出信号，防止发生故障而烧坏器件，确保系统的安全运行。图3.1系统硬件图本系统采用TMS320LF2407A，它是TI公司专为工业控制和电机控制推出的系列产品。这款DSP将实时处理能力和控制器的课程设计用纸教师批阅：9外设功能集于一身。有如下特性：灵活的指令系统；高速的运算能力；大容量的存储能力；有效的性能价格比。主要应用领域包括：工业电机驱动；逆变电源；功率转换器和控制器；汽车系统；仪表和压缩机电机控制；机器人和计算机数字控制机械。TMS320LF2407A具有2个事件管理器；32位中央算术逻辑单元；32位累加器；16位×16位乘法器；3个比例移位器；间接寻址用的8个16位辅助寄存器和辅助算术单元；4级流水线操作；8级硬件操作；6个可屏蔽中断；544字的片内DARAM和2K字的片内SARAM；32K字片内FLASH程序存储器；64K程序存储空间；35.5K数据存储空间；I/0空间64K。此外还有功能强大的外设：串行通信接口SCI；串行外围接口SPI；CAN总线控制器；事件管理器EV；A/D转换器；看门狗WD。TMS320LF2407A芯片是通过3条总线实施指令读取、泽码、取操作数、执行指令等操作。TMS320LF2407A中有两个事件管理器EVA和EVB，它们都有一特殊硬件—SVPWM状态机器件。因此2407A具有两个SVPWM状态机。本系统采用EVA，利用2407A内部自带的SVPWM状态机生成波形。3.2主电路设计本系统采用交－直－交电压型逆变电路，主电路的额定容量为200W，主要由整流电路、滤波电路及逆变电路组成。选取整流桥为KBJ10A-10(即10A，1000V)，整