陳粟宋

（順德學(xué)院，佛山 528333）

基于DSP和SVPWM控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

陳粟宋

（順德學(xué)院，佛山 528333）

0 引言

隨著控制理論、交流調(diào)速理論的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)獲得了飛速進(jìn)步。脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用促進(jìn)了變頻裝置的高性能化，為交流調(diào)速技術(shù)的普及發(fā)揮了重要作用。PWM技術(shù)種類很多，并且正在不斷發(fā)展之中。電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)的應(yīng)用克服了相控原理的所有弊端，使交流電動機(jī)定子得到了接近正弦波的電壓和電流，提高了電機(jī)的功率因數(shù)和輸出效率。現(xiàn)代PWM生成電路大多采用具有高速輸出口HSO的單片機(jī)及數(shù)字信號處理器（DSP），通過軟件編程生成PWM[1]。而德州儀器TMS320LF2407 DSP控制器將實(shí)時處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，具有處理性能更好（30MIPS）、外設(shè)集成度更高、程序存儲更大、A/D轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn)，對電機(jī)的數(shù)字化控制非常有用[2]。本文運(yùn)用TMS320LF2407作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的SVPWM控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1 DSP應(yīng)用

DSP是高速數(shù)字信號處理專用微處理器，TMS320LF2407內(nèi)核操作速率為30MIPS，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)；片內(nèi)集成了完善的存儲器和外設(shè)：片內(nèi)有32K字的Flash程序存儲器，適合大部分程序要求，無需外擴(kuò)。1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM，544字雙口RAM和2K字的單口RAM，可擴(kuò)展的外部存儲器總共192K字空間；基于鎖相環(huán)（PLL）的時鐘模塊、看門狗定時器(WDT)、同步串行外設(shè)接口（SPI）、異步串行通訊接口（SCI）、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）；雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以處理16路模擬信號，一次A/D轉(zhuǎn)換最小時間500ns；40個可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用I/O引腳；5個外部中斷；采用基于JTAG邊界掃描的仿真技術(shù)；用于脈寬調(diào)制（PWM）控制的兩個事件管理器，每個包含2個通用定時器，3個比較和捕獲單元，2路與光電編碼器接口的編碼單元，8路PWM輸出，其PWM波形生產(chǎn)單元包含可編程死區(qū)控制，可輸出對稱、非對稱或空間矢量PWM波形[2,3]。

2 SVPWM算法實(shí)現(xiàn)

SVPWM控制技術(shù)是從電動機(jī)的角度出發(fā)，著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通[4]。它以三相對稱正弦波電壓供電時的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用三相逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生實(shí)際磁通逼近基準(zhǔn)磁通圓，使得磁鏈的軌跡靠電壓空間矢量相加得到，從而達(dá)到較高的控制性能。三相逆變橋式電路的目的是按一定規(guī)律來控制三對橋臂晶體管的通斷，將直流側(cè)電壓變?yōu)槟M三相正弦電壓輸出。因此，三相橋式主電路各橋臂通斷狀態(tài)有八種。定義這8種開關(guān)組合為8個特定的基本空間矢量，分別標(biāo)記為V4(100)、V6(110)、V2(010)、V3(011)、V1(001)、V5(101)和2個零矢量V0(000)、V7(111)。前6個矢量位置特定，可組成一個正六邊形，分別在θ=ωt=0°，60°,120°,...,且大小由直流電源電壓Udc確定而不能調(diào)控，把360°區(qū)域劃分為6個60°的扇區(qū)，但是無法直接獲得任意相位角θ，相位角用PWM技術(shù)進(jìn)行調(diào)控，這樣，利用這6種電壓矢量的線性組合就可以獲得更多的與特定基本空間矢量相位不同的參考矢量，根據(jù)計(jì)算出的相應(yīng)狀態(tài)時間，控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。

3 控制電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

控制電路的設(shè)計(jì)對整個變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，而微控制器及其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更是關(guān)鍵。DSP把具有低成本、高性能DSP內(nèi)核和幾種最適合于電機(jī)控制應(yīng)用的先進(jìn)外圍設(shè)備集成為一個芯片，特別適合于數(shù)字電機(jī)控制應(yīng)用，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品?？梢詾楦咝阅軅鲃涌刂铺峁┫冗M(jìn)可靠高效的信號處理與控制的硬件[5,6]。

圖1 主控板結(jié)構(gòu)圖

圖1即主控板結(jié)構(gòu)框圖。LF2407是系統(tǒng)的核心，它將測量板送來的電流信號、轉(zhuǎn)速信號放大調(diào)理后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而控制逆變器輸出SVPWM波形的電壓和頻率。主控板上包括DSP小系統(tǒng)電路、A/D采集電路、QEP轉(zhuǎn)速檢測電路、SVPWM輸出、RS485/RS232通信接口電路、故障檢測電路、液晶顯示接口電路、開關(guān)量輸入輸出電路等。

4 檢測電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

檢測電路就是將要檢測的各種信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，變成DSP可以識別的數(shù)字信號。檢測電路分為電流檢測模塊和電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置檢測模塊。這些檢測信號都是通過外圍的按口電路直接送到LF2407的內(nèi)部接口，然后根據(jù)相應(yīng)的設(shè)置，讀出檢測到的具體數(shù)值[6,7]。

4.1 電流檢測模塊

電流檢測通過霍爾傳感器對AB兩相電流同時連續(xù)采樣，經(jīng)隔離放大后送到LF2407內(nèi)部進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換；通常電流傳感器將強(qiáng)電轉(zhuǎn)換成弱電流信號，再經(jīng)過模擬信號處理電路形成0～3.3V的單極電壓信號。在本系統(tǒng)中，采用的傳感器模塊為萊姆公司的BLYT，檢測A相和B相的電流，并將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)放大后經(jīng)低通濾波器后送入ADC。

4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置檢測模塊

速度檢測采用光電編碼器輸出兩個相差90°的方波脈沖，經(jīng)整形送到DSP的正交編碼脈沖接口單元QEP。本系統(tǒng)采用的是M法測速原理，即在某一采樣時間內(nèi)，通過對脈沖的計(jì)數(shù)來確定電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。設(shè)采樣時間為TC，光電碼盤的脈沖數(shù)為pn，在采樣時間內(nèi)所測到的脈沖數(shù)為m，則電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)為：n=60m/(Tcpn)。本系統(tǒng)采用歐姆龍公司的旋轉(zhuǎn)編碼器E6D－CWZ1E，有三路輸出，分別為A相、B相、Z相；其中A與B用于測速，它們的相位差為90度，每轉(zhuǎn)一圈輸出1000個脈沖；而Z脈沖為每轉(zhuǎn)一圈輸出一個脈沖。光電脈沖編碼器的A、B輸出經(jīng)高速光電隔離后接到LF2407的QEP3、QEP4上。

4.3 PWM輸出和故障輸入電路

采用SVPWM控制算法，產(chǎn)生6路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的SVPWM波形，經(jīng)驅(qū)動電路和光電隔離電路（6N136）去驅(qū)動逆變器模塊IPM的功率器件，從而獲得具有變壓變頻效果的正弦波形，供給電機(jī)電源。

圖2 PWM隔離輸出到IPM電路

PWM信號輸出要求高速隔離，否則將會造成響應(yīng)不及，造成短路的嚴(yán)重后果。要注意IPM模塊的輸入邏輯是反向的，所以光耦HCPL4503應(yīng)接上拉電阻R32到15V使輸出反向。采用負(fù)邏輯的另一個優(yōu)勢在于，當(dāng)主控板信號線由于某種原因斷線時，對應(yīng)的IGBT控制端為低電平，將截至。圖2為PWM隔離輸出一路的信號電路圖，另外的PWM輸出隔離電路也相同。同理故障輸入信號F0也必須要隔離后才能送到主控板。故障輸入信號隔離采用普通的低速光耦TLP521。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件控制主程序主要完成DSP各功能部件的初始化、參數(shù)設(shè)定以及轉(zhuǎn)速實(shí)時顯示。SVPWM中斷服務(wù)子程序主要完成電流值的采樣，當(dāng)前轉(zhuǎn)速和θ值的計(jì)算，進(jìn)行矢量變換以及輸出SVPWM波形。

主程序主要分為兩塊：系統(tǒng)初始化和變量的初始化。系統(tǒng)初始化指的是DSP運(yùn)行以前的初始化，包括：設(shè)置系統(tǒng)時鐘，CPU系統(tǒng)時鐘為30M；允許串行接收中斷；初始化各種 I/O 口；AD采樣初始化；設(shè)置事件管理器模塊，6相PWM輸出，設(shè)置死區(qū)時間，使能正交編碼脈沖QEP電路；變量的初始化指的是各個變量相對應(yīng)的存儲單元的初始化賦值[8]。具體的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

SVPWM中斷服務(wù)子程序主要任務(wù)就是：

1）負(fù)責(zé)A、B兩相的電流值的采樣，并且實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換；

2）根據(jù)脈沖編碼器傳遞的信息計(jì)算當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和θ值；

3）根據(jù)測量值進(jìn)行矢量變換和計(jì)算；

4）SVPWM輸出。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

軟件程序在TMS320F2407硬件基礎(chǔ)上，用C語言實(shí)現(xiàn)了SVPWM調(diào)制。使用ccs2軟件把程序通過仿真器加載到TMS320F2407A 目標(biāo)板上，在給定輸出頻率f=50Hz、輸出線電壓有效值U=71V、直流母線電壓Udc=400V后；通過ccs上的軟件示波器觀測到相電壓和線電壓波形如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)波形

圖4中的三個圖形分別為AB相的電壓、電流以及AB相的驅(qū)動電壓波形。試驗(yàn)時電動機(jī)參數(shù)為：額定功率2750W，額定電壓380V，額定電流50A，額定轉(zhuǎn)速2850r/min。逆變器開關(guān)頻率為2.4kHz，轉(zhuǎn)速給定為314rad/s。從AB相的電流波形可以看出，SVPWM產(chǎn)生了近似完美的頻率為30Hz的正弦波。采用DSP生成的SVPWM波，通過逆變器驅(qū)動異步電機(jī)，其運(yùn)行性能良好，實(shí)現(xiàn)了對異步電機(jī)的實(shí)時數(shù)字化控制。

7 結(jié)論

將直流電壓利用率高的SVPWM取代傳統(tǒng)SPWM波，采用高速的DSP芯片LF2407為核心構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，逆變器輸出的SVPWM 50HZ實(shí)驗(yàn)波形接近理想正弦波，可為電動機(jī)提供圓形磁場，輸出電壓諧波失真?。恢绷麟妷旱睦寐矢?。

[1]劉和平,嚴(yán)利平,張學(xué)鋒.TMS320LF240xDSP結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[2]江思敏.TMS320LF240xDSP硬件開發(fā)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3]林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2006.

[4]王曉明,王玲.電動機(jī)的DSP控制[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[5]周元志.基于DSP變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2004.

[6]郭鳴星.基于雙CPU技術(shù)的變頻調(diào)速交流電機(jī)的節(jié)能控制研究[D].武漢:武漢大學(xué),2005.

The realization of digital vector controlled SVPWM frequency-variable speed-adjustable system

CHEN Su-song

本文運(yùn)用電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，開發(fā)了基于數(shù)字信號處理器芯片TMS320LF2407的全數(shù)字矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。文中對系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件流程進(jìn)行了研究分析，并進(jìn)行了電氣控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高、輸出波形諧波失真小、有較強(qiáng)的實(shí)時性。

數(shù)字信號處理；空調(diào)適量脈寬調(diào)制；變頻調(diào)速

陳粟宋（1959 -），男，江西吉安人，副教授，本科，研究方向?yàn)楣I(yè)自動化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

TM921.2

A

1009-0134(2011)5(上)-0019-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).07

2010-12-01