SPMC75實(shí)現(xiàn)交流變頻驅(qū)動(dòng)控制

1 引言

系統(tǒng)輸入電源電壓為AC110V/AC220V，經(jīng)全波整流后供系統(tǒng)使用。系統(tǒng)使用 Sunplus公司的SPMC75F2413A產(chǎn)生AC三相異步電機(jī)的VVVF控制所需的SPWM信號(hào),并完成系統(tǒng)控制。使用智能功率模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)。在AC220V輸入時(shí)，系統(tǒng)最大能驅(qū)動(dòng)1.5KW的負(fù)載。系統(tǒng)的變頻區(qū)間為2Hz~200Hz。

2 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要由變頻電機(jī)、電源供給、IPM功率放大、IPM隔離驅(qū)動(dòng)、SPMC75F2413A組成的控制核心幾部分構(gòu)成。

圖 2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 感應(yīng)馬達(dá)V/F控制

3.1 功能描述

利用SPMC75F2413A的TMR3實(shí)現(xiàn)AC 三相異步電機(jī)的V/F開環(huán)控制。使用DDS（直接數(shù)字頻率合成）的方式產(chǎn)生控制所需要的三相SPWM。根據(jù)電機(jī)的V/F曲線隨頻率自動(dòng)調(diào)整輸出電壓的大小。由于DDS固有的特點(diǎn)，在進(jìn)行頻率調(diào)整的過(guò)程中相位是連續(xù)的，用戶可以在任何時(shí)候更改輸出頻率而不需關(guān)心當(dāng)前的相位問(wèn)題。同時(shí)，用戶可以根據(jù)自己需要更換波形數(shù)據(jù)表而實(shí)現(xiàn)非正弦的波形輸出。

3.2 設(shè)計(jì)原理

3.2.1 感應(yīng)馬達(dá)V/F控制原理

在電機(jī)調(diào)速時(shí)，最重要是要保持磁通為額定值不變。在直流電機(jī)中，勵(lì)磁系統(tǒng)獨(dú)立，只要對(duì)電樞進(jìn)行合適的補(bǔ)嘗，保持不變很容易。而在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子的磁勢(shì)合成的。而且滿足：

（3--1）

式中：
--氣隙磁通在定子每相中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值；
--定子頻率；
--定子每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)；
--基波繞組系數(shù)；
--每極氣隙磁通量；

由式（2--1）可知，只要控制好和，便可達(dá)到控制磁通的目的，為此，得考慮基頻以下和基頻以上兩種工作情況。

1.基頻以下調(diào)速

由式（2--1）可知，只要保持為常值，就可以保持不變。但是，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是很難直接控制的，在電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)可以忽略定子繞組的阻抗壓降而認(rèn)定，則有 = 常值；在低頻時(shí)和都比較小，這時(shí)不能忽略，可以人為的抬高去補(bǔ)嘗定子繞組的阻抗壓降。

2.基頻以上調(diào)速

當(dāng)基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率往上升高，但卻不能比額定電壓還要大，頂多只能使 =。因此，由式（3--1）可知，這將迫使磁通與頻率成反比，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。

將以上二種情況結(jié)合起來(lái)就可以得到異步電機(jī)如圖 3-1所示的變頻調(diào)速特性。同時(shí)這也是變頻電機(jī)調(diào)速的V/F曲線圖。在實(shí)際運(yùn)用中，V/F開環(huán)控制也是沿著這條曲線進(jìn)行的。

圖 3-1 三相感應(yīng)電機(jī)的V/F曲線

3.2.2 正弦波生成原理

要使三相感應(yīng)馬達(dá)正常運(yùn)行，需要使其電樞繞組通以三相交變電流，以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。產(chǎn)生三相交變電流的方法有很多，本例中使用SPWM來(lái)產(chǎn)生三相正弦電流。圖 3-2 是三相SPWM生成原理

圖 3-2 三相SPWM生成原理

本例使用DDS（直接數(shù)字頻率合成）的方式產(chǎn)生SPWM。如圖3 -3 所示，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)典型的DDS頻率合成系統(tǒng)，只不過(guò)用PWM發(fā)生模塊去替換了傳統(tǒng)的DAC。在本系統(tǒng)中波形數(shù)據(jù)表的大小為1024點(diǎn)，PWM載波頻率為10KHz。波形數(shù)據(jù)表取1024點(diǎn)一是為了計(jì)算方便，因?yàn)樵谙辔焕奂雍蟛楸淼倪^(guò)程中有一個(gè)相位截取的操作（我們的相位累加器是16位的，而波形數(shù)據(jù)表是1024點(diǎn)--10位），為了加快這一處理過(guò)程，選用以大小的表有利于加快處理過(guò)程，以盡量節(jié)約CPU的運(yùn)算時(shí)間。同時(shí)當(dāng)波形數(shù)據(jù)表為1024點(diǎn)時(shí)，波形發(fā)生過(guò)程中的理論的最大相位誤差這樣加上軟件處理過(guò)程中引起的一些相位抖動(dòng)，最大的相位誤差也不會(huì)超過(guò)。同時(shí)，在三相同時(shí)產(chǎn)生時(shí)，由于表的大小是，不是3的整數(shù)倍，因此代表和相位差的常數(shù)會(huì)有的誤差，會(huì)使三相之間的相位關(guān)系不是整好的和，但誤差不會(huì)超過(guò)。還有，較大的數(shù)據(jù)表有利于保證低頻時(shí)的波形精度。

圖 3-3 三相SPWM生成原理圖

注意：本例所討論的一些公式都是保證波形的幅度精度比相位精度高情況。實(shí)際上，當(dāng)幅度精度變差時(shí)，相位誤差會(huì)變大。本例中的波形數(shù)據(jù)表不限于標(biāo)準(zhǔn)的正弦表，用戶可以根據(jù)自己的需要決定自己的波形。如加入三次諧波的增強(qiáng)型波形等。在V/F控制中，當(dāng)頻率比基頻低時(shí)，調(diào)制系數(shù)小于1，有效樣點(diǎn)數(shù)會(huì)比實(shí)際樣點(diǎn)數(shù)少，因?yàn)榉日{(diào)制使波形的幅度分辯率下降，會(huì)出現(xiàn)樣點(diǎn)重復(fù)的情況。因此，建議用戶在低頻時(shí)提高 PWM的分辨率。

4 軟件說(shuō)明

系統(tǒng)的軟件部分主要是完成AC變頻馬達(dá)的V/F開環(huán)變頻驅(qū)動(dòng)功能，主要包括SPWM發(fā)生的中斷服務(wù)函數(shù)，DMC通信協(xié)調(diào)等幾個(gè)部分。

4.1 主流程與說(shuō)明

主程序在完成系統(tǒng)初始化以后，就不斷檢測(cè)有沒(méi)有來(lái)自PC的控制信息，如果有便完成相應(yīng)的控制功能，沒(méi)有就繼續(xù)檢測(cè)。

主程序主要完成各個(gè)模塊的初始化，而后便監(jiān)視UART的數(shù)據(jù)接收情況，如果收到了有效的波形參數(shù)數(shù)據(jù)，則調(diào)用SPMC75_SPWM_VF_account (unsigned int F,unsigned int Kvf,int Moto) 對(duì)波形參數(shù)進(jìn)行預(yù)置更新，而波形數(shù)據(jù)將在預(yù)置更新完成后的第一個(gè)PWM周期中斷中完成波形數(shù)據(jù)更新操作。主程序流程如圖 4-1所示。

圖 4-1 主程序流程

4.2 中斷子流程與說(shuō)明

進(jìn)入PWM的周期中斷片后，程序首先判斷有沒(méi)有新的波形參數(shù)設(shè)置，如果沒(méi)有就直接進(jìn)入DDS頻率合成，如果有則先更新波形參數(shù)（相位增量和幅度調(diào)制系數(shù)），而后進(jìn)入DDS頻率合成。DDS合成是在每一次PWM的周期中斷，波形相位在原相位的基礎(chǔ)上加上用戶設(shè)置的相位增量值N（這個(gè)值正比于波形頻率），而后查出這個(gè)相位所對(duì)應(yīng)的幅度值，同時(shí)還查出距這個(gè)相位120度和240度的二個(gè)相位對(duì)應(yīng)的幅度值，最后將這三個(gè)值分別乘以幅度調(diào)制系數(shù)AM后送入PWM產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)。其流程圖如圖 4-2所示。

圖4-2 TMR3周期中斷服務(wù)流程