基于DSP的異步電機(jī)SVPWM控制系統(tǒng)及優(yōu)化研究

于國(guó)慶，張 穎，李永偉，韓京津，袁 濤，張華英

（1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.石藥集團(tuán)中諾藥業(yè)（石家莊）有限公司，河北石家莊 050041）

基于DSP的異步電機(jī)SVPWM控制系統(tǒng)及優(yōu)化研究

于國(guó)慶1，張 穎2，李永偉2，韓京津2，袁 濤2，張華英3

（1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.石藥集團(tuán)中諾藥業(yè)（石家莊）有限公司，河北石家莊 050041）

以TMS320LF2407型DSP為控制核心構(gòu)建一全數(shù)字化空間電壓矢量脈寬調(diào)制控制系統(tǒng)，闡述了電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的基本原理和控制實(shí)現(xiàn)方法，針對(duì)感應(yīng)電機(jī)負(fù)載特性，對(duì)開(kāi)關(guān)損耗和諧波特性2個(gè)方面進(jìn)行分析，提出適于感應(yīng)電機(jī)負(fù)載的優(yōu)化策略。最后用Matlab的Simulink對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的SVPWM的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)可提高能量的利用率，諧波減少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于控制，同時(shí)具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

異步電機(jī)；電壓空間矢量脈寬調(diào)制；數(shù)字信號(hào)處理；開(kāi)關(guān)損耗；諧波特性；Simulink

矢量控制作為一種先進(jìn)的控制方法，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)的控制領(lǐng)域。它主要是將異步電機(jī)的模型轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)的模型，目的是使異步電機(jī)的控制效果達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。而專用于電機(jī)的出現(xiàn)克服了異步電機(jī)矢量控制中繁瑣的運(yùn)算，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字化。在眾多矢量控制方法中，電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）具有電流諧波少、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、控制電路簡(jiǎn)化及系統(tǒng)的可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。筆者以TI公司生產(chǎn)的專用于電機(jī)控制的TMS320LF2407型DSP為控制核心，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)字化SVPWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的研究。

1 SVPWM原理

SVPWM是以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)三相異步電機(jī)定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，用三相逆變器開(kāi)關(guān)的不同模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，所形成的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼?lái)追蹤其標(biāo)準(zhǔn)磁鏈圓，從而形成PWM波。與傳統(tǒng)的SPWM方法相比，SVPWM方法將逆變系統(tǒng)和異步電機(jī)作為整體來(lái)考慮，模型比較簡(jiǎn)單［1］。三相電壓型逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示，V1—V6為開(kāi)關(guān)管。逆變器輸出的合成電壓空間矢量表達(dá)式如式（1）所示。

圖1中6個(gè)開(kāi)關(guān)管有8種允許的開(kāi)關(guān)組合，假設(shè)晶體管導(dǎo)通用 “1”表示，截止用 “0”表示，并依a，b，c相序依次排列，則這8種工作狀態(tài)可相應(yīng)表示為U1（001），U2（010），U3（011），U4（100），U5（101），U6（110），U7（111）與U0（000）。根據(jù)電機(jī)模型，這8種狀態(tài)可以用矢量關(guān)系表示，圖2為三相電壓型逆變器的電壓空間矢量。從圖2可以看出，U1—U6是6個(gè)非零矢量，U0，U7是2個(gè)位于原點(diǎn)的零矢量。SVPWM的目的就是通過(guò)控制這6個(gè)功率開(kāi)關(guān)的8種工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻電機(jī)工作所需要的電壓矢量。

2 SVPWM調(diào)制優(yōu)化方案

針對(duì)感應(yīng)電機(jī)的負(fù)載特性，本設(shè)計(jì)主要從降低開(kāi)關(guān)損耗和諧波損耗2方面進(jìn)行優(yōu)化。SVPWM調(diào)制過(guò)程中，根據(jù)2個(gè)零矢量的不同匹配方式可以產(chǎn)生多種不同特性的PWM波形。SVPWM的調(diào)制方法有連續(xù)的SVPWM調(diào)制和不連續(xù)的SVPWM調(diào)制方法，而不連續(xù)的SVPWM調(diào)制又分為非對(duì)稱性調(diào)制和對(duì)稱性調(diào)制。本設(shè)計(jì)采用的對(duì)稱調(diào)制的方式：在奇數(shù)扇區(qū)內(nèi)，選用矢量電壓U7；在偶數(shù)扇區(qū)內(nèi)，選用矢量電壓U0。這種調(diào)制方式可以將開(kāi)關(guān)損耗降低41%，并且其電壓的利用率高，開(kāi)關(guān)頻率低。

根據(jù)電流諧波的特性，定義相諧波電流有效值在1個(gè)周期內(nèi)的輸出頻率的平均值如式（2）所示。

根據(jù)電機(jī)學(xué)的原理和參考文獻(xiàn)［3］，可知上述的調(diào)速方式有更寬的調(diào)制比變化范圍（m＞0.72）。此時(shí)諧波損耗和諧波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。因此這種優(yōu)化方案能達(dá)到降低開(kāi)關(guān)損耗和諧波損耗的目的。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用主回路為電壓型的“交—直—交”變頻結(jié)構(gòu)，主要由整流電路、濾波電路以及智能功率模塊（IPM）組成，控制電路由TMS320LF2407芯片為核心，采用電壓空間矢量算法生成PWM波形［4］。檢測(cè)電路包括電流檢測(cè)單元和轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元，DSP用于控制各相電流采樣、轉(zhuǎn)速采樣并計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置；最后運(yùn)用矢量算法得到電壓空間矢量脈寬調(diào)制的信號(hào)，輸出6路PWM波形，經(jīng)過(guò)光耦隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路輸送給逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)［5］。圖3為基于DSP的異步電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件控制程序主要由主程序和SVPWM中斷服務(wù)子程序組成。主程序主要完成DSP的初始化、參數(shù)設(shè)定和故障判斷。SVPWM中斷服務(wù)子程序主要完成電流、轉(zhuǎn)速的采樣，進(jìn)行矢量變換以及輸出SVPWM波形。系統(tǒng)的軟件控制程序流程圖如圖4、圖5所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Diagram of system structure

5 SVPWM的Simulink仿真及結(jié)果

為了更好地驗(yàn)證模型的正確性，應(yīng)用Matlab中的Simulink對(duì)異步電機(jī)的SVPWM控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。SVPWM的合成算法主要分為以下幾步。

在SVPWM調(diào)制時(shí)以Vref在二維靜止坐標(biāo)系α軸和β軸的分量Vα和Vβ以及PWM周期T作為輸入［6］。T1，T2和T0為一個(gè)扇區(qū)內(nèi)2個(gè)非零矢量和零矢量的作用時(shí)間。

1）要判斷矢量Vref所處的扇區(qū)。分析Vα和Vβ的關(guān)系，可得到如下的規(guī)律：定義3個(gè)變量A，B，C。如果因此，扇區(qū)N＝A＋2B＋4C。

2）為了方便表示6個(gè)扇區(qū)內(nèi)的電壓矢量合成，定義了3個(gè)輔助變量X，Y，Z。定義如下：

3）計(jì)算不同扇區(qū)的T1，T2，取值參考見(jiàn)表1。

4）計(jì)算矢量切換點(diǎn)Tcml，Tcm2，Tcm3。根據(jù)空間矢量切換點(diǎn)導(dǎo)通晶閘管產(chǎn)生PWM波形。圖6為第3扇區(qū)的三相PWM 調(diào)制模型，以其為例得矢量切換點(diǎn)的計(jì)算公式為Ta＝（T0－T1－T2）／4，Tb＝（Ta＋T1／2），Tc＝（Tb＋T1／2）。其他扇區(qū)同理可以求得，整理結(jié)果如表2所示。

圖6 第3扇區(qū)的三相PWM調(diào)制模式Fig.6 The three-phase PWM mode of the third sector

表1 T 1，T 2 取值表Tab.1 Value table of T 1，T 2

表2 各扇區(qū)切換點(diǎn)Tab.2 Switch points of each sector

根據(jù)以上模型的建立結(jié)合一臺(tái)三相異步電機(jī)進(jìn)行仿真。異步電機(jī)的參數(shù)設(shè)置如下：線電壓為380 V；額定頻率為50 Hz；定子內(nèi)阻為0.087Ω；定子漏感為0.8 m H；轉(zhuǎn)子內(nèi)阻為0.228Ω；轉(zhuǎn)子漏感為0.8 m H；定、轉(zhuǎn)子漏感為34.7 m H；極對(duì)數(shù)為2。仿真方法選擇Variable-step（可變步長(zhǎng)），仿真時(shí)間設(shè)為3 min。運(yùn)行模型得到系統(tǒng)的輸出，包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、相電壓等，輸出如圖7、圖8、圖9所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：在仿真的基礎(chǔ)上采用基于TMS320LF2407型DSP設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速實(shí)驗(yàn)。三相異步電機(jī)為J02型，Y型接法，額定轉(zhuǎn)速為1 430 r／s，額定電壓為380 V，額定電流為4.98 A。

圖10為采用此優(yōu)化方案時(shí)產(chǎn)生的相電壓、相電流的實(shí)驗(yàn)波形。圖中IGBT的開(kāi)關(guān)頻率為10 k Hz，逆變器的輸出頻率為50 Hz。由波形uVS1可知，在區(qū)域a內(nèi)VS1持續(xù)導(dǎo)通5.5 ms，區(qū)域b內(nèi)VS1持續(xù)導(dǎo)通5.5 ms，占輸出電壓周期的1／6，開(kāi)關(guān)次數(shù)是原來(lái)的2／3，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗；由iVS1波形可知，在區(qū)域a內(nèi)，A相橋臂IGBT無(wú)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而降低了開(kāi)關(guān)次數(shù)，進(jìn)一步減少了開(kāi)關(guān)損耗。因此，驗(yàn)證了此方案的正確性和可行性。

6 結(jié) 語(yǔ)

在SVPWM原理的基礎(chǔ)上，以TMS320LF2407型DSP為控制核心，開(kāi)發(fā)了一種基于SVPWM的全數(shù)字化異步電機(jī)矢量控制的優(yōu)化方案，并對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了Simulink的建模仿真研究。仿真結(jié)果表明：采用此優(yōu)化方案可以有效地降低開(kāi)關(guān)損耗、諧波損耗和電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。該方案電磁轉(zhuǎn)矩和電流的波動(dòng)較小，直流電壓利用率高，控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，控制算法利用DSP可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電機(jī)控制。

［1］ 李 斌，李 媛，楊奎河.家用電器空間矢量逆變器及其過(guò)調(diào)制策略［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)（Journal of Hebei University of Science and Technology），2003，24（1）：48-50.

［2］ ZHOU Juan，WU Xiao-jie，GENG Yi-wen，et al.Simulation research on a SVPWM control algorithm for a four-leg active power filter［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2007，17（4）：590-594.

［3］ 王金東，張和生.感應(yīng)電機(jī)優(yōu)化SVPWM 調(diào)制策略研究［J］.電力電子技術(shù)（Power Electronics Technology），2009，43（9）：55-57.

［4］ 賀代春，劉教民，王震洲.基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)（Journal of Hebei University of Science and Technology），2004，25（4）：48-50.

［5］ SHIREEN W，VANAPLLI S，NENEB H.DSP based inverter control for alternate energy systems［J］.Journal of Power Sources，2007，166（2）：445-449.

［6］ 范心明.基于SIMULINK的SVPWM 仿真［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化（Electric Drive Automation），2009，31（3）：19-21.

DSP-based SVPWM vector control system of asynchronous motor and its optimization

YU Guo-qing1，ZHANG Ying2，LI Yong-wei2，HAN Jing－jin2，YUAN Tao2，ZHANG Hua-ying3
（1.College of Information Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.College of Electrical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；3.Zhongnuo Pharmaceutical（Shijiazhuang）Company Limited，CSPC，Shijiazhuang Hebei 050041，China）

With TMS320LF2407 DSP as control core of a digital space voltage vector control system，this paper expounds the basic principle of SVPWM and control method，and then according to the load characteristics of induction motor and the analysis of switch loss and harmonic characteristic，an optimization strategy suitable for load of induction motor is proposed.Finally，simulations are made for asynchronous motor SVPWM control system by using the Simulink in the MATLAB.The simulation results show that this system has a lot of advantages which can improve energy utilization and reduce harmonic.The structure is simple and easy to control，and has the characteristics of small torque ripple，low noise，and high utilization rate of voltage.

asynchronous motor；SVPWM；DSP；switch loss；harmonic characteristic；Simulink

TP343

A

1008-1542（2012）03-0258-05

2011-11-23；責(zé)任編輯:李 穆

于國(guó)慶（1969-），男，山東寧津人，副教授，主要從事低壓動(dòng)力節(jié)電技術(shù)、測(cè)控技術(shù)等方面的研究。