基于DSP的SVPWM交流調速系統研究與設計

黃健倉

（中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457）

由于交流異步電動機變頻調速系統[1]擁有較好的調速和啟、制動性能和它的高功率因數、高效率等多種優良特性，再加上其完善的調速性能、較好的節電能力和通用的適用性推廣性能，使得變頻調速技術一躍而成電氣傳動技術發展的核心領域。基于DSP的矢量控制系統的交流調速方案很好地運用到工程實際中，并且隨著電力電子技術、控制理論等學科的發展和各種功率器件、微電子技術、計算機技術的不斷推陳出新，矢量控制技術越來越成熟，交流調速技術迅猛發展。

1 異步電機的矢量控制理論

現在異步電動機的調速控制方式已經發展到全數字化的控制模式，產生效果良好的實時在線脈寬調制信號，因為脈寬調制具有能夠實現變壓變頻的優點，所以脈寬調制在變頻調速技術多種應用方式上還是研究的重點。從脈寬調制的控制方法區分，脈寬調制的控制技術分為以下4種：

1）SPWM方法（即正弦波脈寬調制法）；

2）等脈寬調制方法；

3）SVPWM法（磁鏈追蹤型脈寬調制方法又叫作電壓空間矢量脈寬調制法）；

4）電流跟蹤型脈寬調制方法。

4種方法中電壓空間矢量脈寬調制能夠將電動機的電壓數學模型變為電流模型，從而簡化控制過程，提升動態響應速度，消除逆變器的過電流狀態；因為SVPWM控制方式的直流電壓利用率相對較好并且能適當抑制諧波干擾，所以在確定變頻調速的控制方式時優先選用SVPWM控制方式[3]。

SVPWM控制方式是將異步電機與三相逆變器作為整體來進行分析，利用產生的圓形旋轉磁場對產生的PWM開關信號來進行控制，這樣可以達到更好的控制性能。因為該方法是對磁鏈控制研究，所以又稱磁鏈跟蹤控制，其中是由各個電壓空間矢量相加得出的磁鏈軌跡，因此又稱電壓空間矢量調制。

2 基于DSP的SVPWM交流調速系統的硬件實現

異步電機矢量控制系統使用的是交—直—交電壓型電路，其中由整流電路、濾波電路和智能功率模塊IPM的逆變電路構成了主回路，該系統中異步的速度環和電流環的算法實現以SVPWM（空間矢量PWM波）生成等是以TMS320F240DSP為控制核心的芯片來完成的。另外電流檢測電路、速度檢測電路、串行通信電路以及故障檢測保護等部分組成控制系統的輔助電路，從而對異步電機進行電流檢測和轉速檢測。基于TMS320LF2407DSP電壓空間脈寬調速設計的系統原理如圖1所示[2，4]。

圖1 系統的構成及原理

該控制系統是閉環系統并帶有轉速反饋環節，基于TMS320LF240的電機控制系統實驗開發平臺的硬件結構原理框圖如圖1所示。整個控制系統的硬件主要由以下環節組成：

1）TMS320C2xx JTAG標準仿真器；

2）RS232串行連接線與PC機；

3）TMS320LF240DSP控制板（整個系統的控制核心部分）；

4）由整流電路、濾波電路和智能功率模塊IPM的逆變電路構成了主回路；

5）電動機與光電編碼器；

6）用來檢測直流母線電壓與兩相定子電流的霍爾傳感器。

電機控制系統的主電路設計為功率變換執行機構元件，控制系統的主電路如圖2所示的上半部分，一般是整流電路、中間濾波電路以及逆變環節等部分來組成控制系統的主電路，該系統使用的是通用的交—直—交電壓型變頻器結構類型來對系統主電進行相關的設計，系統使用的是三相橋式不可控整流電路來作為輸入的功率級。

圖2 電機矢量控制系統的整體硬件圖設計

由于一般的直流電壓的脈動比較小，而且它的低阻抗特性可以當作電壓源，但是交流側電流波形與正弦波或者三角波類似，且波形隨著負載阻抗角的改變而改變，為了能夠使得到的直流電壓相對比較平滑，需要在整流電路的輸出部分增加大電容來進行濾波。

主電路的逆變環節可以對功率器件進行關斷與導通控制，使產生的脈沖電壓序列為交變的，由于逆變器的開關只是對電壓的方向加以改變，而逆變器輸出的階梯波或者矩形波是由于其三相交流電壓波形被直流電源箝位而成的，負載參數的改變對以上的處理沒有太大的影響，再對系統主電路的設計參數進行介紹，取定異步電動機參數是：PN=3 kW，IN=6.13 A，nN=2880 r/min，f=50 Hz，UN=380 V。

3 基于DSP的SVPWM交流調速系統的軟件設計

由于異步電機的轉子磁鏈定向的矢量控制需要有較好的通用性、可靠性、實時性的軟件設計的要求，系統的軟件設計將結合TMS320LF2407DSP的程序編制的特點來進行設計。

變頻調速系統的系統軟件設計主要由以下兩個部分組成：系統的初始化模塊以及系統的控制運行模塊，其中初始化部分包含各個矢量控制算法模塊以及硬件的初始化，具體的操作流程是首先對各個控制寄存器來確定給出相應的初值，同時要對運算過程中使用的各個變量設置相應的初值，并分配相應的地址；其中的控制運行模塊部分，主要是對矢量控制算法進行處理，由以下部分組成：PWM驅動模塊、速度PI控制模塊、PARK變換模塊、相電流檢測模塊、速度測量模塊、光電編碼模塊、電流磁鏈轉換模塊、電流PI控制模塊、PARK逆變換空間矢量產生模塊、3/2變換模塊等。系統的初始化模塊上電時執行一次之后就不再執行，而系統的控制模塊執行方式卻很不一樣，在產生PWM下溢事件時，控制模塊都會被從等待循環中強制跳出。控制系統的中斷服務子程序是系統控制的核心，只有在設置了中斷標記之后，對應的中斷服務子程序ISR才能夠被執行。中斷處理的方式能分為可屏蔽與不可屏蔽兩種，TMS320LF2407A能夠應用各種各樣的中斷形式。不可屏蔽中斷的執行方式是，只要有中斷請求發生，CPU就會對請求信號進行回應，可屏蔽中斷的形式在中斷子程序中占主要部分，TMS320LF2407A應用的是上下兩級控制方法來對可屏蔽中斷程序的處理方式進行管理，在CPU的處理環節能夠將中斷形式分成六級，即INT1-INT6，以上六級中斷級別都是由IMR中斷屏蔽寄存器與IFR中斷標志寄存器來進行控制，而且六級中斷中的上一級能對下一級的中斷進行管理工作，六級中斷中INT2、INT3、INT4這三個級別的中斷管理是依靠事件管理器所產生的，控制系統的流程框圖如圖3所示。

圖3 控制系統的流程框圖

4 基于DSP的SVPWM交流調速系統仿真分析

利用Matlab軟件中的Simulink仿真工具箱，采用了通過編制S-function文件來構建新模型，也就對MATLAB/SIMULINK的建模精粹有了理解。本課題的交流傳動系統電壓空間矢量控制的建模過程中，除了對Simulink軟件包工具使用較多，還對Matlab的接口函數，比如S-Function函數、Matlab Fcn函數等的運用有所涉及。

由以上所構建的在Simulink中實現SVPWM控制算法的相應子模塊的仿真框圖，可以看出本控制系統是基于SVPWM的轉速一電流雙閉環矢量控制系統，該系統能夠分成電流控制子系統與轉速控制子系統，由相應子模塊的仿真模型并結合Matlab中的控制系統工具箱功能就能夠完成異步電動機矢量控制系統仿真模型，如圖4所示，這就是各個模塊在封裝之后所組成的生成SVPWM波的完整仿真框圖。預先可以給定PWM采樣周期TS、母線直流電壓Ud以及參考電壓矢量Uref，同時由三相對稱正弦電壓（Ua，Ub，Uc）提供在A，B，C軸系下的分量，那么逆變器的輸出電壓就是實時產生的SVPWM波形。

圖4 矢量控制系統仿真模型示意圖

從仿真結果中發現，異步電機在剛啟動時空載轉矩與定子電流存在很小的波動，而轉速是處于直線上升的狀態，經過0.01 s之后轉速才趨于平穩，異步電機的空載電流近似0 A，轉速能夠達到設定值；在0.05 s時因為引入了負載，電流會增大，轉速有較小的波動，可以看出相應的過程實現了平穩過渡。由taon、tbon、tcon波形圖（見圖5）能夠發現，整個過程線電壓比較穩定，空間矢量的扇區開關順序依次是：3－1－5－6－4－2，即異步電機處于逆時針旋轉狀態，該項仿真結果也同SVPWM理論一致，并且能夠確定出開關管開關次序以及空間矢量的每個扇區導通時刻。

圖5 t aon、t bon、t con 波形

5 基于SVPWM的變頻調速系統的優點及應用

1）變頻調速技術的應用范圍已發展到新階段。石油、石化、機械、冶金等行業都經過了單系統試用、大量使用和整套裝置系統使用3個發展階段。如廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現已發展到飲用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了節能、增產的顯著效果；長春第一汽車廠18個專業廠的輸送機械、空壓機等設備應用了162臺變頻器，保證了新車制造迅速達到生產指標；新疆克拉瑪依油田在煉油、化工、供水、天然氣處理等系統中廣泛采用了變頻器，低壓變頻調速的普及率已達70%；梅林水廠、太原鋼廠、邯鄲鋼廠等單位在水泵、風機機組上采用中壓變頻技術，保證了生產，節約了能源等。

2）變頻調速技術已成為節約能源及提高產品質量的有效措施。很多用戶實踐的結果證明，節電率一般在10%～30%，有的高達40%，更重要的是生產中一些技術難點也得到解決。例如包鋼1150軋機采用變頻裝置后，年平均事故時間達到工作時間的0.1%以下，大幅度提高了產品質量和產量，且年節約電費約50萬元；儀征化纖聯合公司共用了300臺變頻器，頻率精度達0.2%，做到了使用3 a無一事故；烏魯木齊市熱力總公司在供熱系統中采用變頻調速后，當年節電達35%以上；石油系統從20世紀80年代末到1997年，油田和長輸管道在用的變頻裝置已達12萬kW，年節電量近2億kW。

6 結語

本文所研究的矢量控制系統是以異步電動機為控制對象，通過對異步電動機數學模型的分析，建立了基于DSP的SVPWM交流調速系統，并應用TI公司的TMS320F2407 DSP芯片實現了系統的數字化控制。從工程應用實際出發，對矢量控制系統的硬件設計、軟件設計以及控制策略方面進行了研究，并通過Matlab軟件進行仿真，得到了初步結果并加以分析，達到了預期目的。

[1] 李華德．交流調速控制系統[M]．北京：電子工業出版社，2003：70-76.

[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，2004：131-135.

[3] 陳伯時．電力拖動自動控制系統[M]．北京：機械工業出版社，2000：115-119.

[4] 程善美，付中奇．基于DSP的空間矢量PWM的實現[J]．電力電子技術，2006，21（8）：43-45.