SPMC75實(shí)現(xiàn)交流變頻驅(qū)動(dòng)控制

1 引言

系統(tǒng)輸入電源電壓為AC110V/AC220V，經(jīng)全波整流后供系統(tǒng)使用。系統(tǒng)使用 Sunplus公司的SPMC75F2413A產(chǎn)生AC三相異步電機(jī)的VVVF控制所需的SPWM信號(hào),并完成系統(tǒng)控制。使用智能功率模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)。在AC220V輸入時(shí)，系統(tǒng)最大能驅(qū)動(dòng)1.5KW的負(fù)載。系統(tǒng)的變頻區(qū)間為2Hz~200Hz。

2 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要由變頻電機(jī)、電源供給、IPM功率放大、IPM隔離驅(qū)動(dòng)、SPMC75F2413A組成的控制核心幾部分構(gòu)成。

圖 2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 感應(yīng)馬達(dá)V/F控制

3.1 功能描述

利用SPMC75F2413A的TMR3實(shí)現(xiàn)AC 三相異步電機(jī)的V/F開環(huán)控制。使用DDS（直接數(shù)字頻率合成）的方式產(chǎn)生控制所需要的三相SPWM。根據(jù)電機(jī)的V/F曲線隨頻率自動(dòng)調(diào)整輸出電壓的大小。由于DDS固有的特點(diǎn)，在進(jìn)行頻率調(diào)整的過程中相位是連續(xù)的，用戶可以在任何時(shí)候更改輸出頻率而不需關(guān)心當(dāng)前的相位問題。同時(shí)，用戶可以根據(jù)自己需要更換波形數(shù)據(jù)表而實(shí)現(xiàn)非正弦的波形輸出。

3.2 設(shè)計(jì)原理

3.2.1 感應(yīng)馬達(dá)V/F控制原理

在電機(jī)調(diào)速時(shí)，最重要是要保持磁通為額定值不變。在直流電機(jī)中，勵(lì)磁系統(tǒng)獨(dú)立，只要對(duì)電樞進(jìn)行合適的補(bǔ)嘗，保持不變很容易。而在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子的磁勢(shì)合成的。而且滿足：

 （3--1）

式中：
 --氣隙磁通在定子每相中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值；
 --定子頻率；
 --定子每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)；
 --基波繞組系數(shù)；
 --每極氣隙磁通量；

由式（2--1）可知，只要控制好和，便可達(dá)到控制磁通的目的，為此，得考慮基頻以下和基頻以上兩種工作情況。

1.基頻以下調(diào)速

由式（2--1）可知，只要保持為常值，就可以保持不變。但是，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是很難直接控制的，在電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)可以忽略定子繞組的阻抗壓降而認(rèn)定，則有 = 常值；在低頻時(shí)和都比較小，這時(shí)不能忽略，可以人為的抬高去補(bǔ)嘗定子繞組的阻抗壓降。

2.基頻以上調(diào)速

當(dāng)基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率往上升高，但卻不能比額定電壓還要大，頂多只能使  =。因此，由式（3--1）可知，這將迫使磁通與頻率成反比，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。

將以上二種情況結(jié)合起來就可以得到異步電機(jī)如圖 3-1所示的變頻調(diào)速特性。同時(shí)這也是變頻電機(jī)調(diào)速的V/F曲線圖。在實(shí)際運(yùn)用中，V/F開環(huán)控制也是沿著這條曲線進(jìn)行的。

圖 3-1 三相感應(yīng)電機(jī)的V/F曲線

3.2.2 正弦波生成原理

要使三相感應(yīng)馬達(dá)正常運(yùn)行，需要使其電樞繞組通以三相交變電流，以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。產(chǎn)生三相交變電流的方法有很多，本例中使用SPWM來產(chǎn)生三相正弦電流。圖 3-2 是三相SPWM生成原理

圖 3-2 三相SPWM生成原理

本例使用DDS（直接數(shù)字頻率合成）的方式產(chǎn)生SPWM。如圖3 -3 所示，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)典型的DDS頻率合成系統(tǒng)，只不過用PWM發(fā)生模塊去替換了傳統(tǒng)的DAC。在本系統(tǒng)中波形數(shù)據(jù)表的大小為1024點(diǎn)，PWM載波頻率為10KHz。波形數(shù)據(jù)表取1024點(diǎn)一是為了計(jì)算方便，因?yàn)樵谙辔焕奂雍蟛楸淼倪^程中有一個(gè)相位截取的操作（我們的相位累加器是16位的，而波形數(shù)據(jù)表是1024點(diǎn)--10位），為了加快這一處理過程，選用以大小的表有利于加快處理過程，以盡量節(jié)約CPU的運(yùn)算時(shí)間。同時(shí)當(dāng)波形數(shù)據(jù)表為1024點(diǎn)時(shí)，波形發(fā)生過程中的理論的最大相位誤差這樣加上軟件處理過程中引起的一些相位抖動(dòng)，最大的相位誤差也不會(huì)超過。同時(shí)，在三相同時(shí)產(chǎn)生時(shí)，由于表的大小是，不是3的整數(shù)倍，因此代表和相位差的常數(shù)會(huì)有的誤差，會(huì)使三相之間的相位關(guān)系不是整好的和，但誤差不會(huì)超過。還有，較大的數(shù)據(jù)表有利于保證低頻時(shí)的波形精度。

圖 3-3 三相SPWM生成原理圖

注意：本例所討論的一些公式都是保證波形的幅度精度比相位精度高情況。實(shí)際上，當(dāng)幅度精度變差時(shí)，相位誤差會(huì)變大。本例中的波形數(shù)據(jù)表不限于標(biāo)準(zhǔn)的正弦表，用戶可以根據(jù)自己的需要決定自己的波形。如加入三次諧波的增強(qiáng)型波形等。在V/F控制中，當(dāng)頻率比基頻低時(shí)，調(diào)制系數(shù)小于1，有效樣點(diǎn)數(shù)會(huì)比實(shí)際樣點(diǎn)數(shù)少，因?yàn)榉日{(diào)制使波形的幅度分辯率下降，會(huì)出現(xiàn)樣點(diǎn)重復(fù)的情況。因此，建議用戶在低頻時(shí)提高 PWM的分辨率。

4 軟件說明

系統(tǒng)的軟件部分主要是完成AC變頻馬達(dá)的V/F開環(huán)變頻驅(qū)動(dòng)功能，主要包括SPWM發(fā)生的中斷服務(wù)函數(shù)，DMC通信協(xié)調(diào)等幾個(gè)部分。

4.1 主流程與說明

主程序在完成系統(tǒng)初始化以后，就不斷檢測(cè)有沒有來自PC的控制信息，如果有便完成相應(yīng)的控制功能，沒有就繼續(xù)檢測(cè)。

主程序主要完成各個(gè)模塊的初始化，而后便監(jiān)視UART的數(shù)據(jù)接收情況，如果收到了有效的波形參數(shù)數(shù)據(jù)，則調(diào)用SPMC75_SPWM_VF_account (unsigned int F,unsigned int Kvf,int Moto) 對(duì)波形參數(shù)進(jìn)行預(yù)置更新，而波形數(shù)據(jù)將在預(yù)置更新完成后的第一個(gè)PWM周期中斷中完成波形數(shù)據(jù)更新操作。主程序流程如圖 4-1所示。

圖 4-1  主程序流程

4.2 中斷子流程與說明

進(jìn)入PWM的周期中斷片后，程序首先判斷有沒有新的波形參數(shù)設(shè)置，如果沒有就直接進(jìn)入DDS頻率合成，如果有則先更新波形參數(shù)（相位增量和幅度調(diào)制系數(shù)），而后進(jìn)入DDS頻率合成。DDS合成是在每一次PWM的周期中斷，波形相位在原相位的基礎(chǔ)上加上用戶設(shè)置的相位增量值N（這個(gè)值正比于波形頻率），而后查出這個(gè)相位所對(duì)應(yīng)的幅度值，同時(shí)還查出距這個(gè)相位120度和240度的二個(gè)相位對(duì)應(yīng)的幅度值，最后將這三個(gè)值分別乘以幅度調(diào)制系數(shù)AM后送入PWM產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)。其流程圖如圖 4-2所示。

圖4-2 TMR3周期中斷服務(wù)流程

5 實(shí)測(cè)波形

以下是驅(qū)動(dòng)例的實(shí)測(cè)電流波形：

圖5-1 10Hz時(shí)的電流波形  100mV/A

圖5-2 30Hz時(shí)的電流波形  100mV/A

圖5-4 70Hz時(shí)的電流波形  100mV/A

圖5-4 70Hz時(shí)的電流波形  100mV/A

圖5-5 100Hz時(shí)的電流波形  100mV/A

圖5-6 150Hz時(shí)的電流波形  100mV/A

6 參考文獻(xiàn)
【1】SUNPLUS       SPMC75編程指南            
【2】陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第二版）.機(jī)械工業(yè)出版社, 2000年。