基于DSP的三相SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于DSP的三相SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要根據(jù)電壓矢量的基本原理，利用TMS320LF2407A，對電流采樣、速度檢測、驅(qū)動保護(hù)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出基于DSP控制系統(tǒng)的SVPWM的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制器。使得逆變電源的智能化程度更高，性能更加完美 。關(guān)鍵詞：DSP；SVPWM；變頻調(diào)速系統(tǒng)目錄第1章 設(shè)計(jì)目的及意義1第2章 SVPWM基本原理22.1電壓空間矢量脈寬調(diào)制法（SVPWM）22.2電壓空間矢量技術(shù)的基本原理3三相逆變器輸出電壓的矢量表示3磁鏈軌跡的控制52.3SVPWM波的生成6第3章 系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計(jì)83.1系統(tǒng)方案83.2主電路設(shè)計(jì)93.3PWM驅(qū)動電路103

2、.4故障保護(hù)電路113.5鍵盤和液晶12第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)14第5章 設(shè)計(jì)總結(jié)15參考文獻(xiàn)16附錄 程序清單17第1章 方案設(shè)計(jì)及論證1.1 系統(tǒng)方案異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。系統(tǒng)主要由主電路模塊和控制模塊兩部分組成。主電路采用交直交電壓型逆變電路，主要由整流電路、濾波電路及智能功率逆變電路組成，逆變電路則由IPM模塊來完成。控制電路以DSP為核心，完成SVPWM算法，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，同時(shí)，DSP還監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，DSP封鎖PWM輸出信號，防止發(fā)生故障而燒壞器件，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。圖 1-1 系統(tǒng)框圖1.2 方案論證本系統(tǒng)采用TMS320LF240

3、7A，它是TI公司專為工業(yè)控制和電機(jī)控制推出的系列產(chǎn)品。這款DSP將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身。有如下特性：靈活的指令系統(tǒng)；高速的運(yùn)算能力；大容量的存儲能力；有效的性能價(jià)格比。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：工業(yè)電機(jī)驅(qū)動；逆變電源；功率轉(zhuǎn)換器和控制器；汽車系統(tǒng)；儀表和壓縮機(jī)電機(jī)控制；機(jī)器人和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)械。TMS320LF2407A具有2個(gè)事件管理器；32位中央算術(shù)邏輯單元；32位累加器；16位×16位乘法器；3個(gè)比例移位器；間接尋址用的8個(gè)16位輔助寄存器和輔助算術(shù)單元；4級流水線操作；8級硬件操作；6個(gè)可屏蔽中斷；544字的片內(nèi)DARAM和2K字的片內(nèi)SARAM；32K字片內(nèi)F

4、LASH程序存儲器；64K程序存儲空間；35.5K數(shù)據(jù)存儲空間；I/0空間64K。此外還有功能強(qiáng)大的外設(shè)：串行通信接口SCI；串行外圍接口 SPI；CAN總線控制器；事件管理器EV；A/D轉(zhuǎn)換器；看門狗WD。TMS320LF2407A芯片是通過3條總線實(shí)施指令讀取、澤碼、取操作數(shù)、執(zhí)行指令等操作。TMS320LF2407A中有兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，它們都有一特殊硬件SVPWM狀態(tài)機(jī)器件。因此2407A具有兩個(gè)SVPWM狀態(tài)機(jī)。本系統(tǒng)采用EVA，利用2407A內(nèi)部自帶的SVPWM狀態(tài)機(jī)生成波形。第2章 SVPWM基本原理2.1 電壓空間矢量脈寬調(diào)制法（SVPWM）隨著電力電子器件和微電子

5、技術(shù)的迅速發(fā)展，以及高性能控制方法在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速。特別是采用了專為電機(jī)控制開發(fā)的數(shù)字信號處理器DSP為核心的全數(shù)字化控制系統(tǒng)，為高性能的控制方法提供了可靠的硬件環(huán)境。這種DSP集中了電動機(jī)控制所必須的可增加死區(qū)和靈活多變的多路PWM信號發(fā)生器，高速高精度ADC，以及用于電機(jī)速度和位置反饋的編碼器接口等電路。目前國內(nèi)外應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的變頻器，很多都把DSP作為控制核心，充分利用其高速運(yùn)算能力和強(qiáng)大的控制功能以實(shí)現(xiàn)高性能的變頻控制。電壓空間矢量脈寬調(diào)制方法(SVPWM)為交流電機(jī)的一種控制方法，電壓空間矢量PWM方法和普通的正弦PWM方法不同，它是從電機(jī)的角

6、度出發(fā)，把電機(jī)和逆變器看作一個(gè)整體考慮，不簡單從得到電壓電流正弦出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，即正弦磁通。其以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)交流電機(jī)的理想磁通圓軌跡為基準(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。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（space vector PWM，SVPWM）控制”。SVPWM較之于SPWM，SVPWM在輸出電壓或電機(jī)線圈的電流都將產(chǎn)生更少的諧波，提高了對電壓源逆變器直流供電電源的利用率。提高了

7、電壓型逆變器的電壓利用率和電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能，同時(shí)減少了電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，簡單的矢量模式切換更易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。由于該控制方法把逆變器和異步電機(jī)看作一個(gè)整體來處理，所用到的數(shù)學(xué)模型和數(shù)字算法均很簡單，便于微處理器實(shí)時(shí)控制，且具有轉(zhuǎn)矩脈動小，噪聲低、直流電壓利用率高、開關(guān)頻率低的優(yōu)點(diǎn)，因此目前無論在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)或閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中均得到廣泛的應(yīng)用。2.2 電壓空間矢量技術(shù)的基本原理2.2.1 三相逆變器輸出電壓的矢量表示圖2-1所示電路為三相逆變器供電給異步電動機(jī)的原理圖。圖中有6個(gè)功率開關(guān)管，當(dāng)當(dāng)上橋臂開關(guān)管處于 “開” 狀態(tài)，下橋臂開關(guān)管處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，則用“1”表示；當(dāng)下橋臂開關(guān)管處于“開”

8、狀態(tài)，上橋臂開關(guān)管處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，則用“0”表示。三個(gè)橋臂共有000、001、010、011、100、101、110、111八種開關(guān)模式，其中000、111開關(guān)模式使逆變器輸出電壓為零，稱這兩種開關(guān)模式為零狀態(tài)。只要控制這些基本空間矢量的組合，同時(shí)再將零矢量合理分配，就能使瞬態(tài)輸出空間電壓矢量按一定的圓形軌跡旋轉(zhuǎn)。圖 2-1 三相逆變器主電路電壓源逆變器可由圖2-2所示的6個(gè)開關(guān)來等效表示。如圖2-2所示，當(dāng)上橋臂開通、下橋臂關(guān)斷時(shí)，即Sa=1時(shí)，；當(dāng)上橋臂關(guān)斷、下橋臂開通時(shí)，即Sa=0時(shí)， 。Sc亦同。逆變器的8種開關(guān)模式對應(yīng)有8個(gè)電壓空間矢量。采用坐標(biāo)變換，將三相電壓變換到d-q軸系。

9、（2.1）式中：通過不同的矢量組合可以合成新矢量，設(shè)相鄰兩個(gè)有效矢量V1和Vm，零矢量為Vo，合成新矢量Vout，矢量作用時(shí)間分別是T1、Tm、To。Tpwm是PWM脈寬周期。合成新矢量的表達(dá)式為 （2.2） （2.3）矢量分別投影到橫、縱坐標(biāo)軸，得 （2.4）圖 2-1 逆變器等效圖 （2.5）整理可得SVPWM的基本公式為 （2.6） （2.7）2.2.2 磁鏈軌跡的控制逆變器按照所示電壓依次輸出給電動機(jī)供電，則電動機(jī)定子磁鏈?zhǔn)付说倪\(yùn)動軌跡將是一個(gè)正六邊形，而不是所希望的圓形磁場，電動機(jī)電流波形將會出現(xiàn)較大的尖峰。從而改善點(diǎn)擊電流波形和提高電力電子半導(dǎo)體器件的實(shí)用效率的角度考慮，可以適當(dāng)提

10、高開關(guān)頻率，這樣可以利用空間矢量的線性持續(xù)時(shí)間組合使產(chǎn)生的磁鏈軌圖 2-2 基本空間電壓矢量跡逼近圓形。若逆變器的采樣周期為T，則有： （2.8）其中t1,t2為某兩個(gè)非零空間電壓矢量在采樣周期內(nèi)作用的時(shí)間，t0為零矢量作用的時(shí)間。由積分近似公式有： （2.9）V*為正弦電壓設(shè)定值，V*T為在第k個(gè)采樣周期的磁鏈設(shè)定值的增量，V1t1和V2t2為電壓矢量V1和V2分別在各自的作用時(shí)間里所產(chǎn)生的磁鏈增量。由正弦定理得： （2.10）由此可推證： （2.11） 式10中為調(diào)制比；為V*與V2之間的夾角。只要調(diào)整t1、t2、t0的作用時(shí)間，就可以達(dá)到變頻調(diào)速的目的。此外，為了使磁鏈的運(yùn)動速度平滑，零

11、矢量不是集中加入，而是將零矢量平均分成幾份，多點(diǎn)地插入到磁鏈軌跡中，但作用時(shí)間和仍為t0，這樣就可以減少電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩的脈動。圖 2-3 空間矢量的線性合成2.3 SVPWM波的生成只要給定輸出頻率、輸出線電壓、直流母線電壓后，就可以生成SVPWM，步驟如下。1. 連續(xù)不斷地合成新的矢量，就能令電機(jī)產(chǎn)生圓形的磁場。新矢量的角度遞增關(guān)系為 （2.12）式中：角頻率，f是輸出頻率。2. 根據(jù)角度a落在6個(gè)不同區(qū)間，選擇不同的有效矢量V1和Vmo。3. 有效矢量V1和Vm作用的先后次序，決定磁場的旋轉(zhuǎn)方向，最終決定電機(jī)是正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。4. 根據(jù)SVPWM生成方案，交由SVPWM狀態(tài)機(jī)計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果。

12、第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 主電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用交直交電壓型逆變電路，主電路的額定容量為200W，主要由整流電路、濾波電路及逆變電路組成。選取整流橋?yàn)镵BJ10A-10(即10A，1000V)，整流后的直流電壓Udc=1.2Ul。主電路工作時(shí)，因?yàn)橹悄芄β誓KIPM的開關(guān)頻率很高，開關(guān)動作時(shí)會在直流側(cè)產(chǎn)生電流突變，由于主電路分別電感的存在，在IPM模塊內(nèi)部的IGBT的集電極和發(fā)射極以及直流母線上會出現(xiàn)浪涌電壓，不但影響逆變器的工作，還會損壞IGBT，因此需要在逆變橋上加上一個(gè)吸收緩沖電路，圖3-1中的電容C2和電阻R2就是一個(gè)吸收緩沖電路。C2為無極性電容，R2為無感電阻，二者接線時(shí)應(yīng)盡量靠近

13、IPM的直流進(jìn)線端，減少電感可能引起的震蕩。逆變電路由智能功率模塊IPM來完成，這里選用三菱公司的智能功率模塊IPM，選取額定電流20A、耐壓600V的IPM模塊:PM20CTM060。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。IPM供電電壓為四組+15V電源。它有過流、過熱、欠壓、短路四種保護(hù)。有故障時(shí)，IPM低電平輸出電流為10mA，寬度為1.8ms的脈沖信號，由于其內(nèi)部的保護(hù)并不是針對反復(fù)出現(xiàn)的故障，所以一旦輸出故障信號FO，系統(tǒng)必須馬上做出反應(yīng)，停機(jī)檢查，否則循環(huán)輸出故障信號容易打壞模塊。智能功率模塊的選用，大大減少系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。圖 3.1 IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2 PWM驅(qū)動電

14、路以u相上橋臂為例，其驅(qū)動接口電路如圖 3.2所示，由于驅(qū)動電路控制電壓是5V，而DSP輸出的PWM脈沖電壓幅值是3.3V，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245實(shí)現(xiàn)從3.3V到5V的轉(zhuǎn)換。光耦采用高速光耦芯片TLP521，在光耦的輸入端接入限流電阻R7，防止電流過大燒壞光耦，在IPM的控制信號輸入端連接上拉電阻R1R6，以防止由于du/dt的作用而產(chǎn)生誤動作。圖 3.2 PWM驅(qū)動電路3.3 故障保護(hù)電路當(dāng)IPM的FO引腳輸出低電平脈沖，經(jīng)光電耦合后把DSP的PDPINTA引腳也拉為低電平，此時(shí)所有的PWM輸出管腳都呈高阻狀態(tài)。同樣，它與DSP的接口電路也需要進(jìn)行電平

15、轉(zhuǎn)換，這里采用電阻分壓的方式，具體接口電路如圖 3.3所示。還設(shè)計(jì)有蜂鳴器報(bào)警電路，當(dāng)故障信號輸出時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，提醒操作者第一時(shí)間做出反應(yīng)，防止故障循環(huán)輸出。圖 3.3 FO故障輸出信號觸發(fā)電路3.4 鍵盤和液晶本實(shí)驗(yàn)平臺的鍵盤輸入采用4×4的矩陣式鍵盤，有0-9共10個(gè)數(shù)字按鍵和A-F共6個(gè)輔助按鍵。與DSP接口電路如圖 3.4所示。本系統(tǒng)能夠完成異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)，因此鍵盤的主要功能是輸入頻率指令值和啟、停電機(jī)以及對電機(jī)的加減速控制。鍵盤各個(gè)鍵的功能說明如表 31所示。圖 3.4 鍵盤輸入及液晶顯示鍵值0-9ABCDEF功能頻率輸入加速減速待用刪除啟動停止表 31 鍵盤

16、各值功能從附表中可以看到，實(shí)驗(yàn)充分利用了矩陣式鍵盤按鍵豐富、顯示明確的特點(diǎn)，數(shù)字鍵和字母鍵分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，賦值明確，一目了然，便于操作。系統(tǒng)顯示采用液晶顯示模塊RT12232F。為了節(jié)省資源，盡量少占用DSP的I/O口，因此液晶顯示采用串行控制方式。接口電路如圖 3.4所示。將顯示模塊串口的同步時(shí)鐘引腳(SCLK)和數(shù)據(jù)輸入引腳(sid)與DSP的兩個(gè)通用I/O相連;在對比度調(diào)整端通過接入10KW的電位器來調(diào)整顯示器的背光和對比度，使顯示更加清晰。由于液晶顯示模塊的工作電壓為5V，所以加入電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。將液晶顯示與鍵盤輸入相結(jié)合，即能完成人機(jī)通訊的任務(wù)。這里液晶顯示器可以實(shí)時(shí)顯

17、示鍵盤設(shè)定的頻率和通過光電編碼器測得的轉(zhuǎn)速值。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件由主程序、中斷程序和子程序組成。其中，主程序包括系統(tǒng)初始化和主循環(huán)等待；子程序包括電機(jī)運(yùn)行頻率和指令給定子程序、顯示子程序；中斷程序包括SVPWM波形的生成和功率驅(qū)動保護(hù)中斷程序。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4-1所示。使用的是目前最流行的七段式SVPWM波形生成法。利用DSP定時(shí)器的下溢功能產(chǎn)生中斷，即進(jìn)入子程序計(jì)算出下一個(gè)PWM周期的三個(gè)比較寄存器的比較值。程序可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制波頻率0-50Hz的變頻功能、死區(qū)功能，其中載波頻率和采樣頻率可以根據(jù)實(shí)際情況由軟件進(jìn)行設(shè)置。 圖 4-1 主程序流程圖 圖 4-2 中斷子程序流程第5章

18、 調(diào)試結(jié)果5.1第6章 設(shè)計(jì)總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，通過本次運(yùn)動控制課程設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)和鞏固了很多運(yùn)動控制相關(guān)知識和DSP基礎(chǔ)知識。從最初不熟悉設(shè)計(jì)流程到順利完成整個(gè)設(shè)計(jì)，中間付出了辛勤的汗水和寶貴的時(shí)間。在設(shè)計(jì)過程中，不但學(xué)會了怎樣運(yùn)用已學(xué)的知識到實(shí)踐當(dāng)中，而且學(xué)會了怎么樣有效地查找資料，提高工作效率，提高了管理和溝通能力。在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，得到了老師和同學(xué)的熱心幫助，感謝老師和同學(xué)的指導(dǎo)和幫助。 該設(shè)計(jì)利用DSP設(shè)計(jì)的信號發(fā)生器不僅成功實(shí)現(xiàn)了輸入時(shí)間信號到SVPWM觸發(fā)信號的轉(zhuǎn)換，而且具有良好的抗干擾能力。此外，其并行處理結(jié)構(gòu)可以保證三相橋臂開關(guān)同時(shí)動作，有效地提升了控制系統(tǒng)的整體性能?？珊啽愕貞?yīng)

19、用于逆變器控制系統(tǒng)中。該設(shè)計(jì)完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，可靠性高，控制精度高，性能優(yōu)良。參考文獻(xiàn)1 孟慶春.電力拖動自動控制系統(tǒng)。沈陽：東北大學(xué)出版社，20052 王兆安. 電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.3 張廣溢. 電機(jī)學(xué)M.重慶：重慶大學(xué)出版社，2002.4 陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng)（第2版）M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 20055 阮毅,陳維鈞.運(yùn)動控制系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社.20066 夏楊.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20077 郁春蘭.計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù).北京：人民交通出版社.20078 李定仁.電機(jī)的微機(jī)控制.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20079 王軍.自動

20、控制原理M.重慶：重慶大學(xué)出版社，2008.附錄 程序清單.include "240x.h" ; 寄存器地址.global _c_int0 ;全局化標(biāo)號;-以下定義變量-ST0 .set 0 ;狀態(tài)寄存器ST0ST1 .set 1 ;狀態(tài)寄存器ST1.bss TEMP,1 ;臨時(shí)變量.bss SET_F,1 ;頻率調(diào)節(jié)比,Q16格式(值為0-1,對應(yīng)0-50Hz).bss THETA_S,1 ;-扇區(qū)數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù),Q15格式.bss SECTOR,1 ;參考電壓所在的扇區(qū)數(shù),Q0格式.bss THETA_90,1 ;90度,Q12格式.bss THETA_180,1 ;180

21、度,Q12格式.bss THETA_270,1 ;270度,Q12格式.bss THETA_360,1 ;360度,Q12格式.bss DEC_MS,24 ;6個(gè)逆陣,Q14格式.bss T1_PERIODS,1 ;定時(shí)器1周期值,Q5格式.bss CMP_1,1 ;第1基本矢量,Q0格式.sect ".vectors" ;定義主向量段RESET B _c_int0 ;地址0000H，復(fù)位，優(yōu)先級1INT1 B PHANTOM ;地址0002H，INT1，優(yōu)先級4INT2 B _C_INT2 ;地址0004H，INT2，優(yōu)先級5RESERVED B PHANTOM ;地址0

22、00EH，測試，優(yōu)先級10SW_INT8 B PHANTOM ;地址0010H，自定義軟中斷SW_INT27 B PHANTOM ;地址0036H，自定義軟中斷SW_INT28 B PHANTOM ;地址0038H，自定義軟中斷SW_INT29 B PHANTOM ;地址003AH，自定義軟中斷SW_INT30 B PHANTOM ;地址003CH，自定義軟中斷SW_INT31 B PHANTOM ;地址003EH，自定義軟中斷;- 定義子向量段-.sect ".pvecs" ;定義子向量段PVECTORSBPHANTOM;偏移地址0000H BPHANTOM ;偏移地址0

23、001HBPHANTOM;偏移地址0002HBPHANTOM;偏移地址002FH BPHANTOM;偏移地址0030HBPHANTOM;偏移地址0031HBPHANTOM;偏移地址0032HBPHANTOM;偏移地址0033HBPHANTOM;偏移地址0034HBPHANTOM;偏移地址0035HBPHANTOM;偏移地址003FHBPHANTOM;偏移地址0040HBPHANTOM;偏移地址0041H.text;-系統(tǒng)初始化程序-_c_int0 SETC INTM ;禁止中斷CLRC CNF ;B0為數(shù)據(jù)存儲區(qū)LDP #224SPLK #68H,WDCR ;不用看門狗LDP #225LACC MCRAOR #0FC0H ;設(shè)置PWM1-6引腳SACL MCRA;-中斷初始化程序-LDP #0 SPLK #0FFH,IFR ;清所有系統(tǒng)中斷標(biāo)志SPLK #00000010B,IMR ;開INT2中斷LDP #232 SPLK #0200H,EV