基于DSP的感應(yīng)電機(jī)SVPWM矢量控制系統(tǒng)

1引言

近年來交流變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，已成為調(diào)速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。1971年提出的矢量控制理論根據(jù)磁動勢等效原則，應(yīng)用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為二相系統(tǒng)，再經(jīng)過按磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到對交流電機(jī)的磁鏈和電流分別控制的目的。這樣就可將一臺三相異步電動機(jī)等效為直流電機(jī)來控制，因而獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。

2矢量控制的原理

矢量控制也稱為磁場定向控制，其基本思路是模擬直流電機(jī)來控制，根據(jù)磁動勢和功率不變的原則通過坐標(biāo)變換，將三相靜止坐標(biāo)變換成兩相靜止坐標(biāo)(即 Clarck變換)，然后通過旋轉(zhuǎn)變換將兩相靜止坐標(biāo)變成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(即 Park變換),在 Park變換下將定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分量iM ,iT(其中iM稱為勵磁電流分量, iT為轉(zhuǎn)矩電流分量)，并對其分別加以控制?？刂?iM就相當(dāng)于控制磁通，而控制 iT就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。通過解耦，控制交流電動機(jī)和控制直流電動機(jī)一樣方便，圖 1所示為矢量控制的結(jié)構(gòu)框圖。

3電壓空間矢量 SVPWM的原理

空間電壓矢量調(diào)制法是以三相對稱正弦波電壓供電時交流電機(jī)的理想磁通圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，形成 PWM波形。位于同一橋臂的功率管的導(dǎo)通狀態(tài)是相反的。當(dāng)位于同一橋臂的上面的功率管導(dǎo)通時，下橋臂的功率管一定是關(guān)斷的。假設(shè)功率管導(dǎo)通狀態(tài)為1，關(guān)斷狀態(tài)為0，我們只通過上橋臂功率管的開關(guān)狀態(tài)（這里表示成開關(guān)向量[ a，b，c]T，可以推

假定 Uout處于1 0扇區(qū)中，定義 T1、T2和T0分別為向量 V4、V6、V0(或V7)的持續(xù)時間，T為載波 PWM的周期。由以下兩式可算出 T1、T2和 T0：

4系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)采用交-直-交電壓型變頻電路。主電路由整流電路、濾波電路、開關(guān)電源電路、電流檢測電路及智能功率模塊 IPM逆變電路等構(gòu)成。主電路的整流部分是由不可控二極管組成的，在設(shè)計主電路的時候，選用了智能型器件IPM。IPM是 IGBT智能化功率模塊，它將IGBT芯片、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等封裝在一個模塊內(nèi)，不但便于使用，而且大大有利于裝置的小型化、高性能化和高頻化，設(shè)有過流和短路保護(hù)，欠電壓保護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖4。系統(tǒng)控制電路以 TMS320F2812芯片為核心,外擴(kuò) RAM構(gòu)成功能齊全的矢量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)由上位機(jī)通過通信接口下傳給下位機(jī)，DSP負(fù)責(zé)采樣各相電流，計算電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，最后運(yùn)用矢量控制算法，得到 SVPWM控制信號，經(jīng)過光耦隔離電路后，驅(qū)動逆變器功率開關(guān)器件，同時 DSP還監(jiān)控變頻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓、過熱等故障時，DSP將封鎖SVPWM信號，使電機(jī)停止運(yùn)行。

系統(tǒng)控制回路主要包括了 DSP微處理器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和控制信號I/O電路，驅(qū)動電路，保護(hù)電路等子系統(tǒng)。

5系統(tǒng)軟件設(shè)計

此系統(tǒng)中對感應(yīng)電機(jī)的所有控制都是通過 F2812 的軟件來完成的。軟件程序由主程序和定時器下溢中斷子程序組成。主程序中進(jìn)行硬件和變量初始化，對各個控制寄存器置初值，對運(yùn)算過程中使用的各種變量分配地址并設(shè)置相應(yīng)的初值。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, 并送到比較寄存器中。中斷服務(wù)子程序是系統(tǒng)的核心部分，執(zhí)行 SVPWM調(diào)制，故障處理中斷等。系統(tǒng)軟件的定時器下溢中斷程序流程見圖3。

6實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

結(jié)合交流電機(jī)控制系統(tǒng)，用 C語言編寫了載波頻率為2KHz，變頻范圍為0～100Hz的SVPWM控制程序。驅(qū)動的電機(jī)為三相異步電動機(jī)，定子繞組星形結(jié)法。采用 TMS320F2812每周期內(nèi)只發(fā)生一次定時器周期中斷，實(shí)時性好，而且占用 CPU較少，使CPU有很大能力去完成其它任務(wù)。圖4，圖 5為 DSP輸出的一路 SVPWM波形及調(diào)制信號 30Hz時控制器輸出經(jīng)過低通濾波后的相電壓波形。

采用 TMS320F2812和 IPM等模塊化的芯片，利用電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)構(gòu)成的感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，輸出電流的諧波成分減少, 硬件電路簡單, 系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)、控制精度有很大提高, 復(fù)雜算法得以實(shí)現(xiàn)。采用 DSP結(jié)合先進(jìn)控制算法的矢量控制系統(tǒng)在感應(yīng)電機(jī)的控制中將有廣泛的應(yīng)用前景。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是應(yīng)用更新一代的 DSP芯片 TMS320F2812，以及采用具有更多保護(hù)功能的 IPM來構(gòu)成控制系統(tǒng)，簡化了外圍電路，應(yīng)用數(shù)字信號處理芯片實(shí)現(xiàn)軟件算法使控制精度進(jìn)一步提高，響應(yīng)更加快速。