基于DSP的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代交流電機(jī)調(diào)速控制理論的發(fā)展和電力電子裝置功能的完善，特別是微型計(jì)算機(jī)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速取得了突破性的進(jìn)展。恒壓頻比(U/F=常數(shù))的控制方式是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無(wú)需速度傳感器，控制電路簡(jiǎn)單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，所以通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式，普遍應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、泵類的調(diào)速系統(tǒng)中。

電壓空間矢量法(SVPWM)，也叫“磁鏈跟蹤控制”，和經(jīng)典的SPWM控制著眼于輸出電壓盡量接近正弦波不同，它是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以TMS320LF2407A為中央處理器的硬件平臺(tái)，通過(guò)SVPWM控制方法對(duì)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒壓頻比控制。并在此基礎(chǔ)上給出了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

1 空間電壓矢量PWM原理

理論分析表明：三相對(duì)稱正弦電壓產(chǎn)生幅值恒定、以恒轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量，而這種電壓空間矢量加到電機(jī)上時(shí)將產(chǎn)生幅值恒定、以恒轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的定子磁鏈空間矢量，且定子磁鏈?zhǔn)噶宽旤c(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。因此，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題。

SVPWM法就是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

1.1 基本電壓空間矢量

圖1是一個(gè)通用的電壓型PWM逆變電路。圖中的V0-V5是6個(gè)功率開關(guān)管，a、b、c分別代表三個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)。對(duì)于每一個(gè)橋臂都有兩種工作狀態(tài)，“上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷”，稱為“1”狀態(tài)，“下管導(dǎo)通，上管關(guān)斷”，稱為“0”狀態(tài)。三個(gè)橋臂只有“1”或“0”兩種狀態(tài)，因此a、b、c形成000、001、010、011、100、101、110、111共八個(gè)開關(guān)模式。其中000和111開關(guān)模式稱為零狀態(tài)。

8個(gè)開關(guān)模式分別對(duì)應(yīng)8種基本電壓矢量。根據(jù)其相位角的特點(diǎn)分別命名為：O000、U0、U60、U120、U180、U240、U300、O111。按6個(gè)有效工作矢量將電壓矢量空間分為對(duì)稱的6個(gè)扇區(qū)，如圖2所示：

1.2 電壓空間矢量的合成

每個(gè)有效工作矢量在一個(gè)周期內(nèi)只作用一次的方式只能生成正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如果設(shè)法使定子里形成正多邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，我們就可以得到近似的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。而且，正多邊形的邊越多，近似程度就越好。

但是如果想獲得盡可能多的多邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就須有更多的逆變器開關(guān)狀態(tài)。我們可以利用六個(gè)非零的基本電壓空間矢量的線性時(shí)間組合來(lái)得到更多的開關(guān)狀態(tài)，這就是電壓空間矢量PWM的基本思想。

在電壓矢量空間的6個(gè)扇區(qū)中，當(dāng)期望的輸出電壓矢量落在某個(gè)扇區(qū)時(shí)，就用該扇區(qū)的兩條邊等效合成期望的輸出矢量。

在圖3中，Ux和Ux±60代表相鄰的兩個(gè)基本電壓空間矢量;Uout是輸出的參考相電壓矢量，其幅值代表相電壓的幅值，其旋轉(zhuǎn)角速度就是輸出正弦電壓的角頻率。Uout可由Ux和Ux±60線性時(shí)間組合來(lái)合成，它等于t1/Tpwm倍的Ux與t2/Tpwm倍的Ux±60的矢量和。其中t1和t2分別是Ux和Ux±60和作用的時(shí)間;Tpwm是Uout作用的時(shí)間。由期望輸出電壓矢量的幅值及位置可確定相鄰的兩個(gè)基本電壓矢量以及它們作用時(shí)間的長(zhǎng)短，并由此得出零矢量的作用時(shí)間大小。

2 基于DSP的變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以TMS320LF2407A為核心控制器，電路組成包括主電路、系統(tǒng)保護(hù)電路和控制電路三大部分，其總體設(shè)計(jì)圖如圖4所示。