基于DSP的SVPWM交流調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

黃健倉(cāng)

（中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457）

由于交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)[1]擁有較好的調(diào)速和啟、制動(dòng)性能和它的高功率因數(shù)、高效率等多種優(yōu)良特性，再加上其完善的調(diào)速性能、較好的節(jié)電能力和通用的適用性推廣性能，使得變頻調(diào)速技術(shù)一躍而成電氣傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的核心領(lǐng)域?；贒SP的矢量控制系統(tǒng)的交流調(diào)速方案很好地運(yùn)用到工程實(shí)際中，并且隨著電力電子技術(shù)、控制理論等學(xué)科的發(fā)展和各種功率器件、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷推陳出新，矢量控制技術(shù)越來越成熟，交流調(diào)速技術(shù)迅猛發(fā)展。

1 異步電機(jī)的矢量控制理論

現(xiàn)在異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式已經(jīng)發(fā)展到全數(shù)字化的控制模式，產(chǎn)生效果良好的實(shí)時(shí)在線脈寬調(diào)制信號(hào)，因?yàn)槊}寬調(diào)制具有能夠?qū)崿F(xiàn)變壓變頻的優(yōu)點(diǎn)，所以脈寬調(diào)制在變頻調(diào)速技術(shù)多種應(yīng)用方式上還是研究的重點(diǎn)。從脈寬調(diào)制的控制方法區(qū)分，脈寬調(diào)制的控制技術(shù)分為以下4種：

1）SPWM方法（即正弦波脈寬調(diào)制法）；

2）等脈寬調(diào)制方法；

3）SVPWM法（磁鏈追蹤型脈寬調(diào)制方法又叫作電壓空間矢量脈寬調(diào)制法）；

4）電流跟蹤型脈寬調(diào)制方法。

4種方法中電壓空間矢量脈寬調(diào)制能夠?qū)㈦妱?dòng)機(jī)的電壓數(shù)學(xué)模型變?yōu)殡娏髂Ｐ停瑥亩?jiǎn)化控制過程，提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，消除逆變器的過電流狀態(tài)；因?yàn)镾VPWM控制方式的直流電壓利用率相對(duì)較好并且能適當(dāng)抑制諧波干擾，所以在確定變頻調(diào)速的控制方式時(shí)優(yōu)先選用SVPWM控制方式[3]。

SVPWM控制方式是將異步電機(jī)與三相逆變器作為整體來進(jìn)行分析，利用產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)產(chǎn)生的PWM開關(guān)信號(hào)來進(jìn)行控制，這樣可以達(dá)到更好的控制性能。因?yàn)樵摲椒ㄊ菍?duì)磁鏈控制研究，所以又稱磁鏈跟蹤控制，其中是由各個(gè)電壓空間矢量相加得出的磁鏈軌跡，因此又稱電壓空間矢量調(diào)制。

2 基于DSP的SVPWM交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)使用的是交—直—交電壓型電路，其中由整流電路、濾波電路和智能功率模塊IPM的逆變電路構(gòu)成了主回路，該系統(tǒng)中異步的速度環(huán)和電流環(huán)的算法實(shí)現(xiàn)以SVPWM（空間矢量PWM波）生成等是以TMS320F240DSP為控制核心的芯片來完成的。另外電流檢測(cè)電路、速度檢測(cè)電路、串行通信電路以及故障檢測(cè)保護(hù)等部分組成控制系統(tǒng)的輔助電路，從而對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行電流檢測(cè)和轉(zhuǎn)速檢測(cè)?；赥MS320LF2407DSP電壓空間脈寬調(diào)速設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理如圖1所示[2，4]。

圖1 系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

該控制系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)并帶有轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，基于TMS320LF240的電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件主要由以下環(huán)節(jié)組成：

1）TMS320C2xx JTAG標(biāo)準(zhǔn)仿真器；

2）RS232串行連接線與PC機(jī)；

3）TMS320LF240DSP控制板（整個(gè)系統(tǒng)的控制核心部分）；

4）由整流電路、濾波電路和智能功率模塊IPM的逆變電路構(gòu)成了主回路；

5）電動(dòng)機(jī)與光電編碼器；

6）用來檢測(cè)直流母線電壓與兩相定子電流的霍爾傳感器。

電機(jī)控制系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)為功率變換執(zhí)行機(jī)構(gòu)元件，控制系統(tǒng)的主電路如圖2所示的上半部分，一般是整流電路、中間濾波電路以及逆變環(huán)節(jié)等部分來組成控制系統(tǒng)的主電路，該系統(tǒng)使用的是通用的交—直—交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)類型來對(duì)系統(tǒng)主電進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)使用的是三相橋式不可控整流電路來作為輸入的功率級(jí)。

圖2 電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的整體硬件圖設(shè)計(jì)

由于一般的直流電壓的脈動(dòng)比較小，而且它的低阻抗特性可以當(dāng)作電壓源，但是交流側(cè)電流波形與正弦波或者三角波類似，且波形隨著負(fù)載阻抗角的改變而改變，為了能夠使得到的直流電壓相對(duì)比較平滑，需要在整流電路的輸出部分增加大電容來進(jìn)行濾波。

主電路的逆變環(huán)節(jié)可以對(duì)功率器件進(jìn)行關(guān)斷與導(dǎo)通控制，使產(chǎn)生的脈沖電壓序列為交變的，由于逆變器的開關(guān)只是對(duì)電壓的方向加以改變，而逆變器輸出的階梯波或者矩形波是由于其三相交流電壓波形被直流電源箝位而成的，負(fù)載參數(shù)的改變對(duì)以上的處理沒有太大的影響，再對(duì)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行介紹，取定異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)是：PN=3 kW，IN=6.13 A，nN=2880 r/min，f=50 Hz，UN=380 V。

3 基于DSP的SVPWM交流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制需要有較好的通用性、可靠性、實(shí)時(shí)性的軟件設(shè)計(jì)的要求，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)將結(jié)合TMS320LF2407DSP的程序編制的特點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由以下兩個(gè)部分組成：系統(tǒng)的初始化模塊以及系統(tǒng)的控制運(yùn)行模塊，其中初始化部分包含各個(gè)矢量控制算法模塊以及硬件的初始化，具體的操作流程是首先對(duì)各個(gè)控制寄存器來確定給出相應(yīng)的初值，同時(shí)要對(duì)運(yùn)算過程中使用的各個(gè)變量設(shè)置相應(yīng)的初值，并分配相應(yīng)的地址；其中的控制運(yùn)行模塊部分，主要是對(duì)矢量控制算法進(jìn)行處理，由以下部分組成：PWM驅(qū)動(dòng)模塊、速度PI控制模塊、PARK變換模塊、相電流檢測(cè)模塊、速度測(cè)量模塊、光電編碼模塊、電流磁鏈轉(zhuǎn)換模塊、電流PI控制模塊、PARK逆變換空間矢量產(chǎn)生模塊、3/2變換模塊等。系統(tǒng)的初始化模塊上電時(shí)執(zhí)行一次之后就不再執(zhí)行，而系統(tǒng)的控制模塊執(zhí)行方式卻很不一樣，在產(chǎn)生PWM下溢事件時(shí)，控制模塊都會(huì)被從等待循環(huán)中強(qiáng)制跳出。控制系統(tǒng)的中斷服務(wù)子程序是系統(tǒng)控制的核心，只有在設(shè)置了中斷標(biāo)記之后，對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序ISR才能夠被執(zhí)行。中斷處理的方式能分為可屏蔽與不可屏蔽兩種，TMS320LF2407A能夠應(yīng)用各種各樣的中斷形式。不可屏蔽中斷的執(zhí)行方式是，只要有中斷請(qǐng)求發(fā)生，CPU就會(huì)對(duì)請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行回應(yīng)，可屏蔽中斷的形式在中斷子程序中占主要部分，TMS320LF2407A應(yīng)用的是上下兩級(jí)控制方法來對(duì)可屏蔽中斷程序的處理方式進(jìn)行管理，在CPU的處理環(huán)節(jié)能夠?qū)⒅袛嘈问椒殖闪?jí)，即INT1-INT6，以上六級(jí)中斷級(jí)別都是由IMR中斷屏蔽寄存器與IFR中斷標(biāo)志寄存器來進(jìn)行控制，而且六級(jí)中斷中的上一級(jí)能對(duì)下一級(jí)的中斷進(jìn)行管理工作，六級(jí)中斷中INT2、INT3、INT4這三個(gè)級(jí)別的中斷管理是依靠事件管理器所產(chǎn)生的，控制系統(tǒng)的流程框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)的流程框圖

4 基于DSP的SVPWM交流調(diào)速系統(tǒng)仿真分析

利用Matlab軟件中的Simulink仿真工具箱，采用了通過編制S-function文件來構(gòu)建新模型，也就對(duì)MATLAB/SIMULINK的建模精粹有了理解。本課題的交流傳動(dòng)系統(tǒng)電壓空間矢量控制的建模過程中，除了對(duì)Simulink軟件包工具使用較多，還對(duì)Matlab的接口函數(shù)，比如S-Function函數(shù)、Matlab Fcn函數(shù)等的運(yùn)用有所涉及。

由以上所構(gòu)建的在Simulink中實(shí)現(xiàn)SVPWM控制算法的相應(yīng)子模塊的仿真框圖，可以看出本控制系統(tǒng)是基于SVPWM的轉(zhuǎn)速一電流雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠分成電流控制子系統(tǒng)與轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)，由相應(yīng)子模塊的仿真模型并結(jié)合Matlab中的控制系統(tǒng)工具箱功能就能夠完成異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示，這就是各個(gè)模塊在封裝之后所組成的生成SVPWM波的完整仿真框圖。預(yù)先可以給定PWM采樣周期TS、母線直流電壓Ud以及參考電壓矢量Uref，同時(shí)由三相對(duì)稱正弦電壓（Ua，Ub，Uc）提供在A，B，C軸系下的分量，那么逆變器的輸出電壓就是實(shí)時(shí)產(chǎn)生的SVPWM波形。

圖4 矢量控制系統(tǒng)仿真模型示意圖

從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，異步電機(jī)在剛啟動(dòng)時(shí)空載轉(zhuǎn)矩與定子電流存在很小的波動(dòng)，而轉(zhuǎn)速是處于直線上升的狀態(tài)，經(jīng)過0.01 s之后轉(zhuǎn)速才趨于平穩(wěn)，異步電機(jī)的空載電流近似0 A，轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到設(shè)定值；在0.05 s時(shí)因?yàn)橐肓素?fù)載，電流會(huì)增大，轉(zhuǎn)速有較小的波動(dòng)，可以看出相應(yīng)的過程實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)過渡。由taon、tbon、tcon波形圖（見圖5）能夠發(fā)現(xiàn)，整個(gè)過程線電壓比較穩(wěn)定，空間矢量的扇區(qū)開關(guān)順序依次是：3－1－5－6－4－2，即異步電機(jī)處于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，該項(xiàng)仿真結(jié)果也同SVPWM理論一致，并且能夠確定出開關(guān)管開關(guān)次序以及空間矢量的每個(gè)扇區(qū)導(dǎo)通時(shí)刻。

圖5 t aon、t bon、t con 波形

5 基于SVPWM的變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

1）變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍已發(fā)展到新階段。石油、石化、機(jī)械、冶金等行業(yè)都經(jīng)過了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用3個(gè)發(fā)展階段。如廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現(xiàn)已發(fā)展到飲用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了節(jié)能、增產(chǎn)的顯著效果；長(zhǎng)春第一汽車廠18個(gè)專業(yè)廠的輸送機(jī)械、空壓機(jī)等設(shè)備應(yīng)用了162臺(tái)變頻器，保證了新車制造迅速達(dá)到生產(chǎn)指標(biāo)；新疆克拉瑪依油田在煉油、化工、供水、天然氣處理等系統(tǒng)中廣泛采用了變頻器，低壓變頻調(diào)速的普及率已達(dá)70%；梅林水廠、太原鋼廠、邯鄲鋼廠等單位在水泵、風(fēng)機(jī)機(jī)組上采用中壓變頻技術(shù)，保證了生產(chǎn)，節(jié)約了能源等。

2）變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。很多用戶實(shí)踐的結(jié)果證明，節(jié)電率一般在10%～30%，有的高達(dá)40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點(diǎn)也得到解決。例如包鋼1150軋機(jī)采用變頻裝置后，年平均事故時(shí)間達(dá)到工作時(shí)間的0.1%以下，大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，且年節(jié)約電費(fèi)約50萬元；儀征化纖聯(lián)合公司共用了300臺(tái)變頻器，頻率精度達(dá)0.2%，做到了使用3 a無一事故；烏魯木齊市熱力總公司在供熱系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速后，當(dāng)年節(jié)電達(dá)35%以上；石油系統(tǒng)從20世紀(jì)80年代末到1997年，油田和長(zhǎng)輸管道在用的變頻裝置已達(dá)12萬kW，年節(jié)電量近2億kW。

6 結(jié)語

本文所研究的矢量控制系統(tǒng)是以異步電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，通過對(duì)異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析，建立了基于DSP的SVPWM交流調(diào)速系統(tǒng)，并應(yīng)用TI公司的TMS320F2407 DSP芯片實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字化控制。從工程應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，對(duì)矢量控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及控制策略方面進(jìn)行了研究，并通過Matlab軟件進(jìn)行仿真，得到了初步結(jié)果并加以分析，達(dá)到了預(yù)期目的。

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