基于DSP和SVPWM控制的變頻調速系統設計及實現

陳粟宋

（順德學院，佛山 528333）

基于DSP和SVPWM控制的變頻調速系統設計及實現

陳粟宋

（順德學院，佛山 528333）

0 引言

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

1 DSP應用

DSP是高速數字信號處理專用微處理器，TMS320LF2407內核操作速率為30MIPS，采用高性能靜態CMOS技術；片內集成了完善的存儲器和外設：片內有32K字的Flash程序存儲器，適合大部分程序要求，無需外擴。1.5K字的數據/程序RAM，544字雙口RAM和2K字的單口RAM，可擴展的外部存儲器總共192K字空間；基于鎖相環（PLL）的時鐘模塊、看門狗定時器(WDT)、同步串行外設接口（SPI）、異步串行通訊接口（SCI）、控制器局域網絡（CAN）；雙10位模數轉換器，可以處理16路模擬信號，一次A/D轉換最小時間500ns；40個可單獨編程或復用的通用I/O引腳；5個外部中斷；采用基于JTAG邊界掃描的仿真技術；用于脈寬調制（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波形生產單元包含可編程死區控制，可輸出對稱、非對稱或空間矢量PWM波形[2,3]。

2 SVPWM算法實現

SVPWM控制技術是從電動機的角度出發，著眼于使電機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，用三相逆變器不同的開關模式產生實際磁通逼近基準磁通圓，使得磁鏈的軌跡靠電壓空間矢量相加得到，從而達到較高的控制性能。三相逆變橋式電路的目的是按一定規律來控制三對橋臂晶體管的通斷，將直流側電壓變為模擬三相正弦電壓輸出。因此，三相橋式主電路各橋臂通斷狀態有八種。定義這8種開關組合為8個特定的基本空間矢量，分別標記為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確定而不能調控，把360°區域劃分為6個60°的扇區，但是無法直接獲得任意相位角θ，相位角用PWM技術進行調控，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，根據計算出的相應狀態時間，控制開關管的導通與關斷。

3 控制電路的設計和實現

控制電路的設計對整個變頻調速節能系統起著至關重要的作用，而微控制器及其系統的設計更是關鍵。DSP把具有低成本、高性能DSP內核和幾種最適合于電機控制應用的先進外圍設備集成為一個芯片，特別適合于數字電機控制應用，是電機數字化控制的升級產品。可以為高性能傳動控制提供先進可靠高效的信號處理與控制的硬件[5,6]。

圖1 主控板結構圖

圖1即主控板結構框圖。LF2407是系統的核心，它將測量板送來的電流信號、轉速信號放大調理后進行A/D轉換，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小系統電路、A/D采集電路、QEP轉速檢測電路、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、開關量輸入輸出電路等。

4 檢測電路的設計及實現

檢測電路就是將要檢測的各種信號，經過轉換，變成DSP可以識別的數字信號。檢測電路分為電流檢測模塊和電機轉速和位置檢測模塊。這些檢測信號都是通過外圍的按口電路直接送到LF2407的內部接口，然后根據相應的設置，讀出檢測到的具體數值[6,7]。

4.1 電流檢測模塊

電流檢測通過霍爾傳感器對AB兩相電流同時連續采樣，經隔離放大后送到LF2407內部進行ADC轉換；通常電流傳感器將強電轉換成弱電流信號，再經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，并將電流信號轉換成電壓信號，經放大后經低通濾波器后送入ADC。

4.2 電機轉速和位置檢測模塊

速度檢測采用光電編碼器輸出兩個相差90°的方波脈沖，經整形送到DSP的正交編碼脈沖接口單元QEP。本系統采用的是M法測速原理，即在某一采樣時間內，通過對脈沖的計數來確定電機轉速的大小。設采樣時間為TC，光電碼盤的脈沖數為pn，在采樣時間內所測到的脈沖數為m，則電機轉速n(r/min)為：n=60m/(Tcpn)。本系統采用歐姆龍公司的旋轉編碼器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，每轉一圈輸出1000個脈沖；而Z脈沖為每轉一圈輸出一個脈沖。光電脈沖編碼器的A、B輸出經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，產生6路具有可編程死區和可變輸出極性的SVPWM波形，經驅動電路和光電隔離電路（6N136）去驅動逆變器模塊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，否則將會造成響應不及，造成短路的嚴重后果。要注意IPM模塊的輸入邏輯是反向的，所以光耦HCPL4503應接上拉電阻R32到15V使輸出反向。采用負邏輯的另一個優勢在于，當主控板信號線由于某種原因斷線時，對應的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 系統軟件設計

系統軟件控制主程序主要完成DSP各功能部件的初始化、參數設定以及轉速實時顯示。SVPWM中斷服務子程序主要完成電流值的采樣，當前轉速和θ值的計算，進行矢量變換以及輸出SVPWM波形。

主程序主要分為兩塊：系統初始化和變量的初始化。系統初始化指的是DSP運行以前的初始化，包括：設置系統時鐘，CPU系統時鐘為30M；允許串行接收中斷；初始化各種 I/O 口；AD采樣初始化；設置事件管理器模塊，6相PWM輸出，設置死區時間，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中斷服務子程序主要任務就是：

1）負責A、B兩相的電流值的采樣，并且實現A／D轉換；

2）根據脈沖編碼器傳遞的信息計算當前的轉速和θ值；

3）根據測量值進行矢量變換和計算；

4）SVPWM輸出。

6 實驗結果

軟件程序在TMS320F2407硬件基礎上，用C語言實現了SVPWM調制。使用ccs2軟件把程序通過仿真器加載到TMS320F2407A 目標板上，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 實驗波形

圖4中的三個圖形分別為AB相的電壓、電流以及AB相的驅動電壓波形。試驗時電動機參數為：額定功率2750W，額定電壓380V，額定電流50A，額定轉速2850r/min。逆變器開關頻率為2.4kHz，轉速給定為314rad/s。從AB相的電流波形可以看出，SVPWM產生了近似完美的頻率為30Hz的正弦波。采用DSP生成的SVPWM波，通過逆變器驅動異步電機，其運行性能良好，實現了對異步電機的實時數字化控制。

7 結論

將直流電壓利用率高的SVPWM取代傳統SPWM波，采用高速的DSP芯片LF2407為核心構成變頻調速系統，可提高系統的響應速度。實驗結果表明，逆變器輸出的SVPWM 50HZ實驗波形接近理想正弦波，可為電動機提供圓形磁場，輸出電壓諧波失真小；直流電壓的利用率高。

[1]劉和平,嚴利平,張學鋒.TMS320LF240xDSP結構原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[2]江思敏.TMS320LF240xDSP硬件開發教程[M].北京:機械工業出版社,2008.

[3]林渭勛.現代電力電子電路[M].杭州:浙江大學出版社,2006.

[4]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,2008.

[5]周元志.基于DSP變頻調速系統的研究[D].武漢:武漢理工大學,2004.

[6]郭鳴星.基于雙CPU技術的變頻調速交流電機的節能控制研究[D].武漢:武漢大學,2005.

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

CHEN Su-song

本文運用電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術，開發了基于數字信號處理器芯片TMS320LF2407的全數字矢量控制變頻調速系統。文中對系統硬件設計和軟件流程進行了研究分析，并進行了電氣控制實驗。實驗結果表明，該系統結構簡單，控制精度高、輸出波形諧波失真小、有較強的實時性。

數字信號處理；空調適量脈寬調制；變頻調速

陳粟宋（1959 -），男，江西吉安人，副教授，本科，研究方向為工業自動化、計算機應用。

TM921.2

A

1009-0134(2011)5(上)-0019-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).07

2010-12-01