基于DSP的空间电压矢量脉宽调制变频调速系统

基于DSP的空间电压矢量脉宽调制变频调速系统AFrequencyConversionTimingSystemofSVPWMBasedonDSP本文来自2005年第6期“技术探讨与研究”上,已经被阅读过158次作者：大连海事大学自动化与电气工程学院丁义行刘纬烨摘要：本文叙述了一种基于DSP的恒压频比控制,空间电压脉冲宽度调制(SVPWM)的异步电动机变频调速系统。重点介绍了恒压频比控制的原理和利用TMS320LF240实现SVPWM的方法，并最终给出了实验结果。英文摘要：ThispaperintroducesafrequencyconversiontimingsystemofasynchronousmotorwithSVPWMtechniqueandconstantV/FprinciplebasedonDSP.It抯astresstoexplaintheprincipleofconstantV/FandtheimplementationofSVPWMbyusingTMS320LF2407.Theexperimentresultisfavored.BR关键词：空间电压矢量恒压频比1引言变频器的控制方式有多种，如恒压频比控制(VVVF)、转差频率控制(SF)、矢量控制(VC)和直接转距控制(DTC)等。V/F是在改变频率的同时，控制变频器的输出电压使电动机的磁通保持一定，在较宽的调速范围内，使电动机的转距、效率、功率因数不下降;对于采用电压型逆变器的调速系统而言，关键在于PWM触发脉冲的生成。调制方式又有多种:正弦脉宽调制(SPWM)、空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)、线电压脉宽调制(LVPWM)等，本文主要给出了空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)的DSP实现方法。2系统原理2.1恒U/F控制原理在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素就是希望保持电机中每极磁通为额定值，并保持不变。对于异步电机，磁通由定子和转子磁势合成:其中:Es为气隙磁通在定子绕组中的感应电势;fs为定子频率;Φm为每极气隙磁通;Ns为绕组匝数;Ks为系数可见，只要控制Es和fs，即可控制磁通。当定子频率fs较高时，感应电势的有效值Es就较大，可以认为定子相电压有效值U1＝Es。恒压频比的控制特性如图1所示。图1恒压频比特性曲线当fs较低时，定子压降就不能再忽略了，工程上采用了Rs×Is的方式进行补偿。2.2SVPWM的原理电压SPWM和电流SPWM分别追求电压和电流的正弦，而SVPWM则是把电动机和逆变器看成一个整体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场，实际上对应着三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的触发顺序和脉冲大小的组合。在定子绕组中将产生互差120°电角度的波形、失真较小的正弦电流。典型的三相逆变器的结构图如图2所示。图2三相逆变器结构图根据三相逆变器的原理，为使电机对称工作，在任一个时刻，一定有不同桥臂下的三个器件同时导通，而相应桥臂的三个器件必须处于关断状态，这样逆变器就有8种工作状态。假设上桥臂导通用“1”，下桥臂导通用“0”表示，那么这8个状态就对应着8个数字量。图3基本电压空间矢量图利用这8种电压矢量的线性组合，就可以得到更多的与其相位不同的新的电压矢量，最终构成一幅等幅的不同相位的电压空间矢量图，叠加形成尽可能接近圆形旋转的磁链圆。如果在一个圆周里发出均匀分布的等效合成矢量，也就得到了三相正弦量。一个周期发出的合成矢量越多，说明采样频率越高，实际波形也越接近正弦波。一般说来，SVPWM算法步骤:(假设Uout的(α，β)轴分量为Uα和Uβ)(1)判断Uout所在的扇区;(2)计算两个用来合成的基本的电压矢量的作用时间t1和t2(t1，t2为相对于SVPWM的调制周期T的比例值)。以上两步均可通过设置三个变量，进行一系列计算，查表获得。3恒压频比控制的SVPWM的实现TMS320LF240X是TI公司推出的内含DSP内核的专门面向电机控制的新型微处理器。其中的事件管理模块可以方便实现电机控制。本文仅介绍与PWM信号实时调制相关的部分。(1)通用定时器1在PWM信号实时调制中用来产生周期一定的载波。设置周期寄存器T1PR初值，以内部CPU时钟为输入，工作于连续增/减计数模式。(2)全比较单元1，2，3各有两个比较/PWM输出引脚，当比较模式被选用时，通用定时器1的计数值不断与比较寄存器进行比较。(3)具体的实现方式具体的实现方式又有两种:软件实现和硬件切换模式。采用硬件切换模式时，软件部分得到Uout(为了保持磁通不变，利用恒压频比特性曲线，从50Hz入手，其他频率的Uout就很容易求出)，给出其所在的扇区，并进行变换，得到每个扇区内的基本电压矢量作用的时间T1和T2(T1＝t1×T，T2＝t2×T)。接下来，在每个PWM周期，软件只需做如下工作:l将对应的起始空间向量的二进制形式写入ACTR寄存器的12－14位，并将切换方式写入第15位，0代表顺时针，1代表逆时针。l将0.5×T1的值写入比较寄存器1(CMPR1)，0.5×T1＋0.5×T2写入比较寄存器2(CMPR2)。图4给出了SVPWM脉宽实现流程图;图5则给出了对称空间矢量PWM波形图。图4SVPWM脉宽调制实现流程图4实验结果经过具体实验，得到了在定子线圈中产生的三相互差120°电角度的电流波形,如图6所示，该正弦波电流失真较小，与直接的正弦脉宽调制SPWM相比，其在输出电压或是电机线圈中电流，都产生了更少的谐波，提高了电压源逆变器的直流供电电源的利用效率。图5对称空间矢量PWM波形图6电流波形和线电压波形5结束语介绍了一种恒压频比控制，SVPWM调制方式的变频调速系统，利用TMS320LF240X的内部的状态机可以轻松实现SVPWM的产生。从实验结果看，产生的波形较好，为DSP在电机控制中的应用打下了基础。为了追求更高调速性能，采用的基于霍尔效应传感器的电流检测单元和基于光电编码盘的转速检测单元组成的双闭环系统正在完善中。