基于DSP的高性能變頻調速控制系統的研究

黃俊

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲 412001）

基于DSP的高性能變頻調速控制系統的研究

黃俊

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲 412001）

隨著電力電子器件和微處理器技術的不斷發展，交流變頻調速系統得到了迅猛的發展；本文設計了以TMS320F28335為核心的硬件控制電路，對交流調速SVPWM算法進行了實驗，實驗結果驗證了這種算法的正確性。在此基礎上，對變頻調速系統的VF控制系統進行了實驗研究，實驗結果表明：控制系統實現了異步電機的變頻控制，具有良好的動態響應。

變頻調速系統；SVPWM算法；VF控制系統

Abstract:With the rapid development of power electronic devices and microprocessors，AC variable frequency and speed regulating system has also made a breakthrough.The thesis introduces the hardware circuit design based on TMS320F28335，and the result of the experiment proves the SVPWM algorithm is correct.It also does some research on VF control system of the inverter and the result of the experiments proves that the control system achieves the purpose，and has a quick dynamic response.

Key words:frequency control system；SVPWM algorithm；VF control system

當前，交流變頻調速系統在工業領域應用越來越廣泛，我國發電量的近60%用于驅動電動機，而其中90%的電動機是交流電動機。常用于電力、冶金、鋼鐵、石化等各種負載設備，在這些應用中大多數采用直接恒速拖動，造成了大量的能源浪費。此類負載工況變化較大，必須改變原有直接恒速拖動，采用交流調速技術，達到節能的效果。

國內大容量高性能交流調速系統正在投入使用的產品比較少，研制工作起步較晚，目前很多必須的場合均為國外產品所占領。但國外產品價格昂貴，且國外的電網等級與國內的不同，國外進口變頻器在應用過程中存在著電網等級不匹配的問題。因此，性能可靠、價格合理的高壓大容量高性能變頻調速裝置的研究迫在眉睫。同時應用PWM整流器可解決不可控整流器的諧波污染問題。

1 系統整體設計

本設計的三相PWM變頻器系統實驗平臺的硬件由主電路和控制電路兩部分組成。系統實驗平臺結構圖如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

2.1 DSP主要外圍電路

1）電源

采用TI公司專門為DSP控制系統設計的電源芯片TPS73HD301，其輸入電壓為5 V，輸出有固定3.3 V和1.2～9.75 V可調，通過調節電阻值比可以調節輸出電壓至1.9 V，滿足系統應用需求。

2）時鐘電路

本設計采用的DSP芯片的時鐘頻率為150 MHz，由30 MHz的外部有源晶振時鐘信號通過DSP內部的PLL倍頻得到。它不需要DSP的內部振蕩器，信號質量好，性能穩定，連接簡單，配置電路簡單。如圖2所示。

圖1 系統實驗平臺結構圖

圖2 時鐘電路

3）復位電路

設計采用復位芯片SP708R，復位芯片與常規的復位電路相比可靠性更高，電路更加簡單。復位電路如圖3所示。

圖3 DSP復位電路

4）外部存儲電路

控制系統需要保存大量的參數，例如電機的銘牌參數、PI調節器的參數、故障代碼等，考慮到DSP的I/O端口電壓為3.3 V，故選用3.3 V的EEPROM芯片24WC256。DSP通過I2C總線對24WC256進行讀操作和寫操作。

2.2 ADC接口電路

在三電平逆變器的VF控制過程中，需要檢測直流母線電壓和異步電機的相電流，而檢測直流母線電壓和相電流的傳感器的輸出值的范圍不在設計選用的DSP的ADC模塊模擬量輸出范圍內，需要對傳感器檢測到的電壓值進行數字化處理，滿足其對模擬量輸入的要求。

電壓檢測接口電路如圖4所示。

電流檢測接口電路在電路的基本結構上與電壓檢測接口電路近似，增加了直流偏置電路來設置。

圖4 電壓檢測電路

2.3 碼盤接口電路

在異步電機的矢量控制中，電機轉速選用光電編碼器來檢測。本設計中選用的是E6B2-C，分辨率為每轉1 000個脈沖，需要設計碼盤接口電路來進行脈沖信號的電平變換。達到設計的需要。

2.4 電平轉換電路

在整個電路設計中，IGBT模塊驅動電路、碼盤接口電路以及輸入輸出的數字量電壓信號都是5 V電壓，而DSP和CPLD的I/O端口電壓為3.3 V，設計采用電平轉換芯片SN74ALVC164245，該芯片驅動能力強，具有多路接口，使用方便，并且可以通過DIR引腳來設置信號的傳輸方向。

3 系統的軟件設計

系統軟件設計主要采用VF控制算法，在調速過程中頻率和電壓的比保持不變，電源頻率改變時，電機的定子磁通保持恒定。

交流異步電機定子繞組的感應電動勢有效值可由式（1）表示。

式中，E：感應電勢，k：常數，f：頻率，φ：定子磁通，U：定子電壓。

在調速過程中，電壓不變時，假設頻率下降，磁通將會增加，當頻率下降到特定值后磁通飽和，電流將產生畸變，削弱電磁轉矩，從而會影響機械特性；同理假設頻率增大，磁通將會下降，這樣就會導致負載能力下降。因此采用VF控制算法，即當頻率變化時，保持U與f的比值不變。

調制算法采用消除偶次諧波的SVPWM算法控制，其主要作用是保證電壓空間矢量運行軌跡為圓形，產生的輸出必須諧波含量少、直流母線電壓利用率高。根據伏秒平衡原理，調整開關管的導通時間，確定基本電壓矢量和順序組合后，從而獲得設計所需的參考電壓空間矢量，實現交流電動機的變頻調速，效果良好。

其算法框圖如圖5所示。

圖5 VF控制系統框圖

給定速度為900 rpm，空載情況下的MATLAB仿真結果如圖6所示，其中（a）為轉速波形，（b）為相 電流波形。

圖6 空載情況下的MATLAB仿真結果

從圖6可以看出，電機動態響應良好，運行情況穩定。

本設計的程序流程中，把電機的狀態分為4種狀態，即系統空閑，系統啟動，系統運行，系統停止。中斷系統采用了EPWM中斷和定時器中斷。流程如圖7示：

為了對控制系統策略進行實驗驗證，搭建了雙PWM變頻器的實驗平臺。其結構圖如圖8所示。

變頻控制系統的重點和基礎是SVPWM調制算法，前文通過Simulink已經對改進的三電平SVPWM算法進行了仿真驗證，在此基礎上，利用雙PWM變頻器的實驗平臺，對SVPWM算法進行實際驗證性實驗，其檢測到的電流波形和FFT分析如圖9所示。

電機啟動過程中，控制系統將通過ADC檢測到的A相電流波形如圖9所示，給定頻率為25 Hz時，使用示波器的諧波分析功能，對電流波形進行諧波分析，可以發現電流波形的基波頻率與給定頻率一致。

其空載時的轉速波形如圖10所示，與仿真結果相一致，具有良好的動態性能。

圖7 系統主程序流程圖

圖8 實驗平臺結構圖

圖9 電流波形與FFT分析

圖10 轉速波形

4 結 論

本文設計了以TMS320F28335為核心的硬件控制電路，在此基礎上，搭建了爽PWM變頻器的試驗平臺，對交流調速SVPWM算法進行了實驗，實驗結果驗證了這種算法的正確性。在此基礎上，對變頻調速系統的VF控制系統進行了實驗研究，實驗結果表明：控制系統實現了異步電機的變頻控制，具有良好的動態響應。

[1]石健將，李榮貴，張平，等.基于新型電壓電流雙閉環控制的軸帶發電機PWM整流器研究 [J].電工技術學報， 2014，6（29）：189-193.

[2]李金鵬.基于不可控整流的單相PFC研究[J].電子技術， 2014，4（4）：12-15.

[3]方志聰.基于FFT變換的電網諧波分析及其仿真研究[J].電氣應用， 2014，4（33）：68-70.

[4]黃薔.基于SVPWM變流技術的電池檢測系統的仿真研究[J].電源技術應用，2014（1）：96-97.

[5]陳明.三相整流設備晶閘管選用研究及功率因數分析[J].電氣工程應用， 2013（1）：23-25.

[6]張石.一種大功率可控整流電路的控制方法[J].電源技術， 2012（12）：1938-1940.

[7]瞿博，呂征宇.三相電壓型PWM整流器小信號建模及其控制器設計 [J].電工技術學報，2010，25（5）：103-108.

[8]張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社，2012.

[9]趙俊華，文福拴，楊愛民，等.電動汽車對電力系統的影響及其調度與控制問題[J].電力系統自動化，2011，35（14）:2-8.

[10]倪靖猛，方宇，邢巖，等.基于優化負載電流前饋控制的400HZ三相PWM航空整流器[J].電工技術學報， 2011，26（2）：141-146.

[11]鐘炎平，沈頌華.PWM整流器的一種快速電流控制方法[J].中國電機工程學報， 2015，25（12）：52-56.

[12]周錦榮，王輝，周小方.三相逆變電源系統的SVPWM技術研究[J].寧夏大學學報， 2013，34（4）:317-319.

[13]王曉東，李嵐.一種用于雙電源系統的三相逆變電源[J].電氣技術， 2012（10）：13-15.

[14]曹太強，祁強，王軍.三相逆變電源不平衡負載控制方法的研究[J].電機與控制學報， 2013，16（4）:53-55.

[15]吳家梁，樊波，劉嘉，等.三相SVPWM逆變電源輸出波形優化控制策略[J].空軍工程大學學報：自然科學版， 2013，14（4）:91-94.

Research and design of high-performance DSP control system based on frequency control

HUANG Jun
（Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou412001，China）

TN74

A

1674－6236（2017）19-0153-04

2016-08-24稿件編號201608178

黃 俊（1969—），男，湖南株洲人，碩士，講師。研究方向：控制系統與控制理論、電氣工程。