劉長宏

（大連民族學院機電信息工程學院，遼寧大連 116605）

基于WINDOWS交流電機SVPWM算法研究

劉長宏

（大連民族學院機電信息工程學院，遼寧大連 116605）

針對電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）調(diào)制方法的實現(xiàn)，介紹了工作原理，設計了WINDOWS下基于運動控制卡的控制算法實現(xiàn)，選擇Windows下對DSP2812實時控制方法。并利用VC6.0以對話框形式編制了程序，實現(xiàn)了交流電機的控制。

交流異步電動機;DSP;SVPWM;實時控制

交流調(diào)速系統(tǒng)廣泛應用在電動機調(diào)速、綠色發(fā)電及變頻電源等方面。在交流調(diào)速系統(tǒng)中廣泛采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）方法，通過改變脈沖寬度和周期實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻。SVPWM控制用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準磁通園。并把逆變器和電機看作一個整體，使得模型簡單，轉(zhuǎn)矩脈動小，噪聲低，電壓利用率高。與常規(guī)的SPWM技術(shù)相比，SVPWM的逆變器輸出電壓高出15%，而且能夠減小電機轉(zhuǎn)矩脈動以及電流波形畸變，因此在交流傳動領(lǐng)域得到了越來越廣泛應用［1］。

針對電機控制算法程序直接固化在DSP的Flash上，并且只有串口與PC進行通訊，無法滿足開放性的要求狀況，設計利用TI公司32位高

性能TMS320F2812（DSP2812）做為控制器核心芯片，并設計成為基于PCI總線的DSP2812運動控制卡，利用超高速度的PC在WINDOWS環(huán)境下編程，實現(xiàn)電機控制算法，通過133M的PCI總線將DSP2812采集所得電流、電壓等信號通過PCI總線實時地傳回到PC，PC通過高速中斷進行交互數(shù)據(jù)，控制算法計算所得CMPR寄存器值實時傳送到DSP2812，利用DSP2812的EV單元輸出PWM波形，控制逆變器中開關(guān)器件的導通實現(xiàn)調(diào)壓和變頻。

1 系統(tǒng)的組成

基于WINDOWS的交流電機DSP控制系統(tǒng)如圖1。

圖1 基于WINDOWS的交流電機控制系統(tǒng)組成

采用運動控制通用DSP+FPGA芯片設計方案，運動控制卡利用PCI9052實現(xiàn)PCI總線接口功能，并利用PCI9052 C工作模式，使之具有更高的傳輸速率。選用TMS320F2812作為運動控制的核心芯片，并且利用電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)隔離，保護DSP2812芯片不受外部電平干擾。PCI9052與DSP2812數(shù)據(jù)傳輸以雙口RAM IDT7143芯片為中介，相互之間以中斷發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求。上位機將DSP初始設置及控制命令和數(shù)據(jù)通過PCI9052發(fā)送至雙口RAM，并同時發(fā)送中斷信號給DSP的外部中斷引腳，DSP響應中斷讀取雙口RAM中的信息并輸出PWM波到逆變器實現(xiàn)電機的控制。同樣DSP將電機的電流及轉(zhuǎn)速運行參數(shù)發(fā)送至雙口RAM并同時發(fā)送中斷信號給PC的外部中斷引腳，由上位機讀取相關(guān)參數(shù)進行分析計算從而決定控制策略。

2 SVPWM原理

電壓空間矢量脈寬調(diào)制方法（SVPWM）是交流電機的一種控制方法，也稱為磁鏈跟蹤控制。它將逆變器和交流電機視為一體，按照跟蹤輸入交流電機的三相正弦電流形成的圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形［2］。

對應如圖2典型的三相電壓型PWM逆變電路中6個開關(guān)的8種工作狀態(tài)，可產(chǎn)生8個電壓空間矢量，其中6個非零矢量，2個零矢量，電壓矢量空間分布如圖3。

圖2 三相電壓型PWM逆變電路原理圖

圖3 電壓空間矢量圖

可以推導出，三相逆變器輸出的線電壓矢量［UABUBCUCA］與開關(guān)狀態(tài)矢量［abc］T的關(guān)系為

當三相ABC平面坐標轉(zhuǎn)化為DSP通用的兩相οαβ坐標，即Clarke變換時，選擇每個坐標系中電動機的總功率不變做為兩個坐標系的轉(zhuǎn)換原則，則變換矩陣為

當逆變器6個非零基本矢量分別依次單獨輸出后，為了獲得近似的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，在每一個PWM周期TPWM期間，改變相鄰基本電壓矢量UX和UX±60作用的時間t1和t2，并保證合成的電壓空間矢量幅值UOUT相等，當TPWM足夠時，電壓空間矢量的軌跡是一個近似圓形的正多邊形。施加非零矢量時，磁場矢量的軌跡沿電壓矢量方向旋轉(zhuǎn);施加零電壓矢量時，磁場停止旋轉(zhuǎn)，磁場轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)停停，其平均旋轉(zhuǎn)速度才得以調(diào)節(jié)，調(diào)壓和調(diào)頻借助于零電壓失量的反復插入實現(xiàn)的［3-4］。

（1）t1、t2和t0的確定

線性時間組合的電壓空間矢量為

當逆變器單獨輸出零矢量時，在TPWM期間插入零矢量作用時間t0，使

（2）扇區(qū)號確定

由于在一個周期內(nèi)，逆變器的工作狀態(tài)切換六次，因此磁鏈的軌跡為正六邊形。將正六邊形磁鏈軌跡劃分為0-5六個扇區(qū)。用計算P值查表確定UOUT扇區(qū)，見表1。

表1 計算P值與對應的扇區(qū)

為了實現(xiàn)SVPWM的控制，把一個扇區(qū)再細分成若干個對應于的TC小區(qū)，按上述方法插入若干個線形組合的新矢量，以獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。為了盡可能減少開關(guān)功率管的開關(guān)次數(shù)及一次電壓矢量的變化，在一個周期內(nèi)只能有一個橋臂的開關(guān)管動作。采用三段零矢量和四段相鄰的兩個非零矢量組成七段式電壓空間矢量形成PWM波形，在一個脈沖周期內(nèi)，矢量作用在PWM波的時間和順序為始（t0/4、t1/2、t2/2、t0/2、t2/2、t1/2、t0/4），所有電壓矢量都以相鄰的矢量為原則［5-6］。

3 Windows下SVPWM輸出PWM波方法

利用DSP2812的EVA事件管理器單元來實現(xiàn)PWM波形輸出，需設置T1PR（定時周期寄存器），CMPR1（PWM1比較寄存器）、CMPR2（PWM3比較寄存器和CMPR3（PWM5比較寄存器），在每個采樣周期，DSP2812內(nèi)部對CMPR1、CMPR2、CMPR3與T1PR寄存器進行比較，當T1PR值大于CMPR比較寄存器的值時，PWM輸出1。用taon、tbon、tcon對應PWM開關(guān)狀態(tài)時間。求出taon、tbon、tcon值，即可使DSP輸出三相PWM脈沖，使逆變管輸出相應電壓。周期值產(chǎn)生PWM波的頻率或周期，比較值主要用于產(chǎn)生PWM波的脈寬。如使用使能死區(qū)，設置死區(qū)控制寄存器DBT-CONB值。

4 Windows下的SVPWM技術(shù)的控制

利用Window系統(tǒng)的多任務、搶占式的特點和多線程技術(shù)將各個任務分給不同的線程，并賦予各個線程不同的優(yōu)先級，當高優(yōu)先級的線程，即實時性要求高的任務需要執(zhí)行時，可以自動的終止其他線程的工作而轉(zhuǎn)向執(zhí)行這一線程。加上Windows下良好的用戶界面，方便的程序編制，高精度的浮點運算，使得程序的參數(shù)輸入及控制算法在Windows下快速實現(xiàn)。

4.1 實時性控制及運動控制卡函數(shù)

上位機和基于DSP的運動控制卡通過PCI9052實現(xiàn)控制命令和運動軌跡數(shù)據(jù)的傳輸和采集。為了高速采集數(shù)據(jù)，利用DSP的定時器產(chǎn)生中斷和雙緩沖區(qū)方法實現(xiàn)。雙緩沖區(qū)由兩個大小相同、且連續(xù)的子緩沖區(qū)組成，用于暫存PC及DSP數(shù)據(jù)。開始中斷采集的同時，由主程序啟動數(shù)據(jù)處理線程。處理線程在后臺與主程序并行工作，用它監(jiān)視雙緩沖指針。中斷程序完成讀取數(shù)據(jù)，將其送到一個公用的緩沖區(qū)，并維護一個緩沖區(qū)指針。當雙緩沖指針從一個子緩沖區(qū)進入另一個子緩沖區(qū)時，處理線程對前子緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行處理并存盤。

中斷程序填滿一個子緩沖區(qū)的時間長，而處理線程進行一次處理和存盤的時間相對比較短。因此，中斷程序和處理線程可以并行地訪問緩沖區(qū)而不會發(fā)生交疊，這樣可以實現(xiàn)長時間連續(xù)高速采集。

為了實現(xiàn)上位機和DSP之間的通信，需要在Windows下開發(fā)出適用的驅(qū)動程序。對設備的配置空間、I/O端口和內(nèi)存的訪問以及對設備中斷的處理。并且對運動控制卡的操作函數(shù)進行封裝，以動態(tài)鏈接庫的方式提供接口。為此需要以下函數(shù)實現(xiàn)DSP各寄存器功能設定。

_DeviceOpen（）函授:打開運動控制卡，取得運動控制卡訪問句柄

__DeviceClose（）函數(shù):關(guān)閉運動控制卡，釋放運動控制卡訪問句柄

_InterruptOperator（）函數(shù):設置、取消硬件定時中斷通知函數(shù)。

_WriteOnly（）函數(shù):設置DSP2812指定寄存器為指定值，在此函數(shù)中實現(xiàn)DSP的控制

_Event（）函數(shù):設置DSP2812讀取成功中斷通知事件

_WriteRead（）函數(shù):取得DSP2812指定寄存器值

4.2 Windows下SVPWM程序編制

在Windows下編寫SVPWM程序通過DSP控制交流電機，需要完成算法參數(shù)設置、算法實現(xiàn)、DSP初始化及相應寄存器值設定及讀取控制電路、電機的參數(shù)等任務。在這些任務中，實時從DSP中讀取測量參數(shù)和寫入控制數(shù)據(jù)是關(guān)鍵。通過調(diào)用函數(shù)_InterruptOperator（）設置DSP硬件定時中斷，在等待DSP硬件定時中斷時，運行控制算法程序，計算出相應值，定時時間到達時，調(diào)用_ WriteOnly（）函數(shù)，將初始化DSP2812 EA事件管理器及電機運行參數(shù)寫入DSP寄存器值，滿足實時性要求。在Windows下設置電機控制線程成完成控制要求，其流程圖見圖4。

圖4 電機控制線程流程圖

在Windows下，用VC6.0 MFC對話框的形式編制程序。

當DSP2812工作在150MHZ頻率，調(diào)制頻率10K HZ時，設計程序界面，完成調(diào)制比及調(diào)制度參數(shù)輸入及“電機運行”和“電機停止”及DSP寄存器波形及三相電流顯示功能。

“電機運行“按鈕程序，完成運動控制卡初始化及電機控制線程設置。其程序如下:

圖5 SVPWM程序流程圖

5 結(jié)論

使用一臺1KW三相交流異步電動機進行調(diào)壓實驗，當調(diào)制度為0.8調(diào)制比為100時，DSP比較寄存器輸出波形及三相電流波形如圖6。波形呈正弦波，表明利用PC機編制控制算法能滿足實時性要求。利用PC+運動控制卡的方式編程，運用運動控制卡接口函數(shù)，可以在pc中直接編制復雜算法程序，對于DSP內(nèi)部硬件和復雜編程不用涉及，將大大提高編程的效率。

［1］高景德，李發(fā)海.交流電機及其系統(tǒng)的分析［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［2］王曉明，王玲.電動機的DSP控制［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

［3］丁學文.電力拖動運動控制系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［4］CHEN S，JOOS G.Symmetrical SVPWM field programmable gate array implementation［J］.APEC 2002 Seventeenth Annual IEEE.2002，2（5）;1004-1010.

［5］馬幼捷，齊鳴，周雪松，等.基于DSP的SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究［J］.機床與液壓，2009，37（10）:137-140.

［6］樊揚，瞿文龍，陸海峰，等.基于疊加原理的SVPWM過調(diào)制算法［J］.清華大學學報:自然科學版，2008，48（4）:461-464.

Research on SVPWM Algorithm of AC Motor based on WINDOWS

LIU Chang-hong
（College of Electromechanical and Information Engineering，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China）

Voltage space vector PWM（SVPWM）modulation method has the advantages of low torque ripple，low noise and high voltage using rate，and it is widely used in AC drive system.For the realization of SVPWM modulation methods，the working principle is introduced，and the control algorithm is designed based on motion control card in WINDOWS.The real time control methods of the DSP2812 are selected in WINDOWS.The program is finished with the form of dialog box of VC6.0，and the AC motor control is carried out.

AC asynchronous motor;DSP;SVPWM;real-time control

TM346

A

1009-315X（2012）03-0225-04

2011-06-24;最后

2011-09-20

劉長宏（1968-），男，河南林州人，工程師，主要從事機電一體化研究。

（責任編輯 劉敏）