基于對稱規則采樣法SPWM波的三相電機調速系統分析

鄭 楊

鹽城供電公司

基于對稱規則采樣法SPWM波的三相電機調速系統分析

鄭 楊

鹽城供電公司

對稱規則采樣法產生SPWM具有精度高、計算簡單等特點。文章首先介紹了對稱規則采樣法的原理，著重研究了采用對稱規則采樣法生成SPWM波的電機調速系統，并進行了仿真驗證，基于TI公司的DSP芯片MS320F2812進行了實驗驗證。

SPWM波；對稱規則采樣法；電機調速系統

1.前言

PWM控制技術在逆變電路中的應用是最為廣泛的，對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，被廣泛用于電機控制等實際應用中，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，減少轉矩脈動，擴展系統調速范圍。

2. SPWM對稱規則采樣法原理

脈寬調制技術(PWM)是目前應用最為廣泛的開關調制策略。其中正弦脈寬技術(SPWM)以其優良的傳輸特性成為調制策略中的基本方式，SPWM技術抑制諧波效果與載波頻率有關，載波頻率越高，諧波成分越少。SPWM是在PWM的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規律排列，這樣輸出波形經過適當的濾波可以做到正弦波輸出。

一般SPWM波形的產生方法有如下幾種：自然采樣法、規則采樣法、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時刻控制功率開關器件的通斷，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雜的超越方程，因此在工程上實際應用不多。目前應用較廣的方法為對稱規則使用法。

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

在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣而得到D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A點和B點在A點時刻tA和B點時刻tB控制功率開關器件的通斷[1]。可以看出，用這種規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.采用對稱規則法生成SPWM波的電機調速系統仿真

根據電機調速理論對簡單電機調速系統進行建模[2]，并仿真控制一臺額定電壓220V，額定轉速1500r/min的三相異步電機，電流仿真仿真結果可以看出在電機中流過的相電流則基本為正弦波。仿真結果驗證了SPWM對稱規則采樣法在調速系統中應用的正確性。

4.基于DSP TMS320F2812的電機調速系統實驗

實驗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、永磁同步電機和電機負載；控制電路包括上位機、DSP控制電路、驅動電路、采樣調理電路和保護電路。從電源處取得三相工頻380V交流電，經過三相調壓器后得到可調節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，經大濾波電容濾波后供后級電路使用，調節交流輸入幅值即可調節直流電壓幅值。經過不控整流電流得到穩定的直流母線電壓，之后通過三相逆變器把直流電逆變為頻率可變的三相交流電以驅動異步電機。

本文的控制算法較為復雜，對微處理器的運算要求高，因此需要選用具有較高工作頻率且具有豐富外設的控制芯片。本實驗選擇了TI公司生產系列DSP芯片MS320F2812具有兩個獨立的事件管理器(EVA和EVB)，可以為功率開關器件提供PWM脈沖信號。通過配置事件管理器內相關寄存器可以得到6路占空比可調的PWM信號，實現SVPWM輸出；配置捕獲單元(CAP/QEP)相關寄存器可以對光電編碼器信號計數，從而得到電機的轉速信號及轉子的準確位置信號；配置A/D模數轉換電路相關寄存器，可以實現對電流電壓等電氣數字量的采樣。配置GPIO相應的寄存器可以實時輸出程序的數字運算結果，以便對各個物理量或者狀態進行監測。為方便進行控制系統調試或者配合控制，通過配置通信接口SCI可以實現與上位機或者下位機的通信。

圖1 規則采樣法說明圖

在TMS320F2812中，有三個全比較單元， 1個計數寄存器和三個比較寄存器，3個比較寄存器分別為CMPR1、CMPR2、CMPR3，生成6路PWM信號。芯片內計數器采用連續遞增遞減模式計數，當計數器在0到計數周期這段增計數周期內，計數器的值與比較寄存器的值相等時，輸出電平發生一次跳變；在計數器達到計數周期時，計數器將開始減計數，當計數器再次與比較寄存器相等時，輸出電平再次跳變。所以需要將計算出的值分別付給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信號來控制IGBT的導通與關斷，從而實現對電機的矢量控制。

[1]王兆安， 黃俊. 電力電子基礎[M].北京： 機械工業出版社， 2000.

[2]袁濤， 鄭建勇， 曾偉等. IPM智能功率模塊電路設計及其在有源濾波器裝置中應用[J]. 電力自動化設備， 2007， 27(5)： 88-90.