采用SVPWM的單相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、采用SVPWM的單相電機(jī)*變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)李學(xué)華 王毓順 張?zhí)涨鄭u大學(xué)摘要：在分析了單相電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合dsPIC單片機(jī)優(yōu)良的控制性能，采用目前比較流行的SVPWM控制方法，利用三相逆變電路來(lái)控制單相電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的變頻調(diào)速.通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明采用這種SVPWM方法可以達(dá)到理想效果。關(guān)鍵詞： SVPWM 單相電機(jī) dsPIC單片Design of VVVF for Single Phase Motor Adopting SVPWMLi Xuehua Wang Yushun Zhang TaoAbstract: This article analyses the advantage an

2、d disadvantage of single phase motor first, and achieves VVVF of motor combining the excellent performance of dsPIC ,adopting SVPWM and using three phases circuit of inverter. It can achieve perfect effect on experiment, utilizing SVPWM to control torque. Keywords: SVPWM single phase motor dsPIC sin

3、gle chip1 引言單相交流異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低等優(yōu)點(diǎn)，以及單相電在諸多領(lǐng)域尤其家用電器中的廣泛應(yīng)用,使得它在工業(yè)控制特別是家用電器行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。對(duì)于通過(guò)調(diào)節(jié)端電壓和改變極對(duì)數(shù)的傳統(tǒng)調(diào)速方法.調(diào)速效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)和生活需要。由于變頻調(diào)速技術(shù)在異步感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中以其優(yōu)異的調(diào)速和啟動(dòng)性能、高功率因數(shù)和節(jié)電效果,使其在電機(jī)控制中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。不過(guò)目前變頻調(diào)速的研究主要集中在三相電機(jī)上，對(duì)單相電機(jī)的研究重視不夠，使得它與三相電機(jī)控制技術(shù)相比還不成熟。針對(duì)這一現(xiàn)象本文采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)單相電機(jī)的變頻調(diào)速，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬，平滑性好

4、，同時(shí)也具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)。* 青島愛(ài)默生電機(jī)公司資助項(xiàng)目2 SVPWM(電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù))原理電壓空間矢量PWM (SVPWM)實(shí)際是磁通PWM，其特點(diǎn)是從電機(jī)角度出發(fā)，著眼于通過(guò)控制電機(jī)端電壓，使電機(jī)獲得幅值恒定的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。它把逆變器和電機(jī)視為一體，以跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的輸出電壓波形. 在單相電機(jī)全橋逆變電路中，功率器件的每一種通電模式，都能在電機(jī)中生成一支空間電壓矢量。如圖1所示。圖 1 兩相三橋臂主電路結(jié)構(gòu)圖對(duì)于兩相三橋臂逆變電路，根據(jù)同一橋臂上下開(kāi)關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通的原則，3個(gè)橋臂共產(chǎn)生8種開(kāi)關(guān)組合模式，可以在電機(jī)繞組上得到8支空間電壓矢量，它們以V(A，

5、N，B)來(lái)表示。其中A=1時(shí)，表示A1導(dǎo)通，A2關(guān)斷；A=0時(shí)，表示A1關(guān)斷，A2導(dǎo)通，其余類推。8支矢量如表1所示。表1 空間電壓矢量關(guān)系組合V非零矢量零矢量無(wú)用A10010110N00110101B01100100忽略繞組電阻壓降時(shí)，非零電壓矢量的幅值為|V(1,0,0)|=V(0,0,1)|=|V(0,1,1)|=|V(1,1,0)=Ud (1)|V(1,0,0)|=|V(0,1,0)|= Ud (2)圖 2 兩相三橋臂電壓矢量定義8支矢量中，兩個(gè)零矢量位于坐標(biāo)原點(diǎn)，其余6支根據(jù)繞組軸線以圖2所示方式分布。電壓空間矢量都可以由與之相鄰的兩個(gè)基本矢量和零矢量組合而成。矢量V(1,0,1)和

6、V(0,1,0)在矢量合成時(shí)可有可無(wú)。為了計(jì)算的方便，只使用4只位于坐標(biāo)軸上矢量和兩只零矢量來(lái)合成電壓空間矢量。Uat=V1t1+V2t2+V0t0 (3) (4) (5)t0=T-t1-t2 (6)通過(guò)控制電壓矢量的作用時(shí)間，便可以形成多邊形的電壓矢量軌跡，從而獲得更加接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁通。各電壓矢量的作用次序要遵守以下的原則:任意一次電壓矢量的變化只能有一個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，即在二進(jìn)制矢量中每次只有一位變化。3 系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)3.1 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)包括主電路和控制電路，主電路采用現(xiàn)在流行的交直交變頻方式，逆變器采用IR公司生產(chǎn)的IRAMS10UP60U智能模塊電路?？刂菩酒捎肕ICROCH

7、IP公司的16位單片機(jī)dsPIC30F4011，它內(nèi)部嵌入了一個(gè)16位CPU和一個(gè)高速DSP引擎，從而把單片機(jī)的控制能力和DSP的數(shù)字運(yùn)算能力有效的結(jié)合起來(lái)，是性價(jià)比較高的一種選擇。它具有5個(gè)16位定時(shí)器，4個(gè)輸入通道捕獲口，4個(gè)輸出比較/標(biāo)準(zhǔn)PWM通道，6個(gè)電機(jī)控制PWM通道，每路PWM輸出引腳驅(qū)動(dòng)電流為25 mA，為防止同一橋臂2個(gè)功率管發(fā)生直通造成短路，該發(fā)生器還通過(guò)編程設(shè)置死區(qū)互鎖時(shí)間，是個(gè)電機(jī)控制的專用芯片。由它來(lái)完成電流電壓的采集和處理，以及故障的檢測(cè)和顯示，實(shí)時(shí)計(jì)算輸出PWM波等操作。整個(gè)系統(tǒng)的框架如圖3所示。 圖3 系統(tǒng)框圖3.1.1 主電路設(shè)計(jì)單相電機(jī)不同于三相電機(jī)，它的定子

8、繞組是不對(duì)稱的，傳統(tǒng)的電容運(yùn)行電機(jī)只適用于某一個(gè)頻率點(diǎn)上，不適合變頻調(diào)速，電容啟動(dòng)容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈振，所以本課題采用了三相電路拓?fù)鋪?lái)控制單相電機(jī)，取得了良好的控制效果，主電路如圖4所示。圖4 主電路圖為使單相電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)需要通過(guò)軟件編程的方法使兩組開(kāi)關(guān)管的通斷互差90(電角度)。為了防止上下橋臂直通造成短路，需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，注意這個(gè)時(shí)間既不要設(shè)置的太短，失去保護(hù)功能，也不要設(shè)置的太長(zhǎng)，造成波形失真。這里根據(jù)載波頻率16 kHz，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為2m左右最好。必要的時(shí)候可以進(jìn)行死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償。 定子電流通過(guò)電流霍爾傳感器轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)后送入比較器，與事先設(shè)定的最大電流參考值進(jìn)行比較，如果超過(guò)此值

9、就認(rèn)為過(guò)流，觸發(fā)FLTA端口，并封鎖RE端口的PWM信號(hào)保護(hù)智能模塊。 為了使轉(zhuǎn)速的檢測(cè)更準(zhǔn)確，需要對(duì)連續(xù)的三個(gè)檢測(cè)值取平均值后再輸入到單片機(jī)RD0中，作為實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)是否停止的判斷可以通過(guò)IC2口的捕捉功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，先設(shè)定一個(gè)時(shí)間，當(dāng)超過(guò)這個(gè)時(shí)間捕捉口還沒(méi)有檢測(cè)到來(lái)自測(cè)速發(fā)電機(jī)的下一個(gè)脈沖時(shí)就認(rèn)為電機(jī)停轉(zhuǎn)。3.1.2 控制電路設(shè)計(jì)電機(jī)的參考速度通過(guò)外部電位器的調(diào)節(jié)得到，它與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后轉(zhuǎn)化為參考電壓，這里需要加個(gè)限幅環(huán)節(jié)是為了防止加到定子上的電壓過(guò)大而導(dǎo)致對(duì)電機(jī)的損害。同時(shí)通過(guò)霍爾器件測(cè)得定子電流，送入轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算環(huán)節(jié)得到磁鏈的相位和周期，然后把電壓、相位和周期三個(gè)量送入P

10、WM發(fā)生器，得到六路PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制六只IGBT的通斷順序及時(shí)間，從而改變加到定子上的電壓。整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。圖5 SVPWM控制系統(tǒng)圖對(duì)于單相電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、輸出轉(zhuǎn)矩較小的難題，可以采用定子電壓補(bǔ)償來(lái)解決，它有多種實(shí)現(xiàn)方法，這里可以通過(guò)設(shè)置多條V/f曲線，根據(jù)具體情況實(shí)時(shí)選擇合適的曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。3.2 軟件設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)軟件由主程序、中斷服務(wù)子程序、顯示子程序、A/D采樣中斷子程序等組成。主程序完成系統(tǒng)的初始化，并循環(huán)等待中斷的到來(lái)。PWM中斷子程序采集電流和轉(zhuǎn)速計(jì)算得到占空比可調(diào)的控制信號(hào)。故障中斷子程序中視故障性質(zhì)完成自處理或故障報(bào)警，封鎖觸發(fā)脈沖。串行通

11、訊中斷可以采集當(dāng)前轉(zhuǎn)速等信息并把其送入LED顯示.下面是其中最核心的兩個(gè)單元。主程序如圖6所示。 圖6 主程序框圖PWM中斷子程序如圖7所示。圖7 PWM中斷程序整個(gè)編程調(diào)試過(guò)程是在Microchip公司開(kāi)發(fā)的MPLAB中進(jìn)行的，可以使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。下面是主程序部分代碼：int main(void)ClrWdt();/關(guān)看門(mén)狗InitTMR1();/初始化定時(shí)器1InitTMR3();/初始化定時(shí)器2InitICandCN();/ 初始化霍爾傳感器接口InitMCPWM();/ 初始化PWM模塊for(;)if(SWITCH_S2)&(!Flags.MotorRunning)while(S

12、WITCH_S2);RunMotor();/如果電機(jī)靜止并按下S2則啟動(dòng)電機(jī) elseif(SWITCH_S2)&(Flags.MotorRunning)while(SWITCH_S2);StopMotor();/ 如果電機(jī)正運(yùn)轉(zhuǎn)并按下S2 則停止電機(jī)return 0;4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果本課題選用的單相電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓AC150 V,額定電流3 A，額定功率450 W，極數(shù)6p。本實(shí)驗(yàn)使用16 kHz載波，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器可以在5200 Hz內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)速，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到定子兩相電壓為60 V，頻率為35 Hz，二者相位上差90，如圖8所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看到定子電壓波形非常接近正弦波，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比

13、較小，可以實(shí)現(xiàn)在5300 Hz之間的調(diào)速。因而應(yīng)用dsPIC的電壓空間矢量控制系統(tǒng)非常適合單相電機(jī)的變頻調(diào)速。圖8 兩相定子波形圖參考文獻(xiàn)1 Emeka S.Obe,Tomonobu Senjyu Analysis of Steady- State Components in a Balanced Single-phase Synch- ronous Reluctance Motor with a Running Capacitor. Electric Power Systems Research，2006 2 Nabil A.Ahmed,Kenji Amei,Masaaki Sakui.AC Chopper Voltage Controlled-fed Single-phase Induction Motor Employing Symmetrical PWM Control Technique Electric Power Systems Research 2000 Conversion and Management，2006 3 Nabil A.Ahmed.Three phase Induction Motor Operatingfrom Single-phase Supply with an E