鄭 楊

鹽城供電公司

基于對(duì)稱規(guī)則采樣法SPWM波的三相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分析

鄭 楊

鹽城供電公司

對(duì)稱規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM具有精度高、計(jì)算簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。文章首先介紹了對(duì)稱規(guī)則采樣法的原理，著重研究了采用對(duì)稱規(guī)則采樣法生成SPWM波的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，基于TI公司的DSP芯片MS320F2812進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

SPWM波；對(duì)稱規(guī)則采樣法；電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1.前言

PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用是最為廣泛的，對(duì)逆變電路的影響也是最為深刻的。SPWM(Sinusoidal PWM)法就是其中一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM方法，被廣泛用于電機(jī)控制等實(shí)際應(yīng)用中，能有效抑制或消除低次諧波，使輸出電壓波形近似為正弦波，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，擴(kuò)展系統(tǒng)調(diào)速范圍。

2. SPWM對(duì)稱規(guī)則采樣法原理

脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)是目前應(yīng)用最為廣泛的開關(guān)調(diào)制策略。其中正弦脈寬技術(shù)(SPWM)以其優(yōu)良的傳輸特性成為調(diào)制策略中的基本方式，SPWM技術(shù)抑制諧波效果與載波頻率有關(guān)，載波頻率越高，諧波成分越少。SPWM是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。

一般SPWM波形的產(chǎn)生方法有如下幾種：自然采樣法、規(guī)則采樣法、等效面積法、低次諧波消去法等。按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法，但這種方法要求解復(fù)雜的超越方程，因此在工程上實(shí)際應(yīng)用不多。目前應(yīng)用較廣的方法為對(duì)稱規(guī)則使用法。

對(duì)稱規(guī)則采樣法是從自然采樣法演變而來的，它由經(jīng)過采樣的正弦波與三角波相交，由交點(diǎn)得出脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點(diǎn)或底點(diǎn)位置對(duì)正弦波采樣而形成階梯波。對(duì)稱規(guī)則采樣法原理圖如圖1所示。

在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)正弦信號(hào)波采樣而得到D點(diǎn)，過D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn)在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制功率開關(guān)器件的通斷[1]。可以看出，用這種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度δ和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。

3.采用對(duì)稱規(guī)則法生成SPWM波的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真

根據(jù)電機(jī)調(diào)速理論對(duì)簡(jiǎn)單電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模[2]，并仿真控制一臺(tái)額定電壓220V，額定轉(zhuǎn)速1500r/min的三相異步電機(jī)，電流仿真仿真結(jié)果可以看出在電機(jī)中流過的相電流則基本為正弦波。仿真結(jié)果驗(yàn)證了SPWM對(duì)稱規(guī)則采樣法在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的正確性。

4.基于DSP TMS320F2812的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)電路主要包括主電路和控制電路兩部分。其中主電路包括三相交流電源、不控整流電路、逆變器、均流電抗器、永磁同步電機(jī)和電機(jī)負(fù)載；控制電路包括上位機(jī)、DSP控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣調(diào)理電路和保護(hù)電路。從電源處取得三相工頻380V交流電，經(jīng)過三相調(diào)壓器后得到可調(diào)節(jié)幅值的三相工頻交流電。不控整流電路選擇不控整流模塊MDS60作為功率變換器件，只需輸入三相交流電就可以獲得直流電，經(jīng)大濾波電容濾波后供后級(jí)電路使用，調(diào)節(jié)交流輸入幅值即可調(diào)節(jié)直流電壓幅值。經(jīng)過不控整流電流得到穩(wěn)定的直流母線電壓，之后通過三相逆變器把直流電逆變?yōu)轭l率可變的三相交流電以驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)。

本文的控制算法較為復(fù)雜，對(duì)微處理器的運(yùn)算要求高，因此需要選用具有較高工作頻率且具有豐富外設(shè)的控制芯片。本實(shí)驗(yàn)選擇了TI公司生產(chǎn)系列DSP芯片MS320F2812具有兩個(gè)獨(dú)立的事件管理器(EVA和EVB)，可以為功率開關(guān)器件提供PWM脈沖信號(hào)。通過配置事件管理器內(nèi)相關(guān)寄存器可以得到6路占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)SVPWM輸出；配置捕獲單元(CAP/QEP)相關(guān)寄存器可以對(duì)光電編碼器信號(hào)計(jì)數(shù)，從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)及轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置信號(hào)；配置A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相關(guān)寄存器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流電壓等電氣數(shù)字量的采樣。配置GPIO相應(yīng)的寄存器可以實(shí)時(shí)輸出程序的數(shù)字運(yùn)算結(jié)果，以便對(duì)各個(gè)物理量或者狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為方便進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)試或者配合控制，通過配置通信接口SCI可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)或者下位機(jī)的通信。

圖1 規(guī)則采樣法說明圖

在TMS320F2812中，有三個(gè)全比較單元， 1個(gè)計(jì)數(shù)寄存器和三個(gè)比較寄存器，3個(gè)比較寄存器分別為CMPR1、CMPR2、CMPR3，生成6路PWM信號(hào)。芯片內(nèi)計(jì)數(shù)器采用連續(xù)遞增遞減模式計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器在0到計(jì)數(shù)周期這段增計(jì)數(shù)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器的值相等時(shí)，輸出電平發(fā)生一次跳變；在計(jì)數(shù)器達(dá)到計(jì)數(shù)周期時(shí)，計(jì)數(shù)器將開始減計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器再次與比較寄存器相等時(shí)，輸出電平再次跳變。所以需要將計(jì)算出的值分別付給CMPR1、CMPR2、CMPR3。通過不斷改變比較寄存器的值，就可以得到不同占空比的PWM信號(hào)來控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的矢量控制。

[1]王兆安， 黃俊. 電力電子基礎(chǔ)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2000.

[2]袁濤， 鄭建勇， 曾偉等. IPM智能功率模塊電路設(shè)計(jì)及其在有源濾波器裝置中應(yīng)用[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備， 2007， 27(5)： 88-90.