基于DSP 的空間電壓矢量控制在變頻調(diào)速器上的應(yīng)用

0 引言

　　隨著電力電子技術(shù)和微控制器技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代交流變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣，采用全控型器件IGBT 的全數(shù)字控制的變頻調(diào)速器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通用化，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。變頻調(diào)速器的普及應(yīng)用提高了現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)化水平，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)效率，最大限度的節(jié)約了能源，因此符合國家發(fā)展建設(shè)和諧、節(jié)約型社會(huì)的方針。

　　本文著重分析了變頻調(diào)速器的空間電壓矢量控制原理和死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)，以及DSP 控制的工程實(shí)現(xiàn)。

1 變頻調(diào)速器空間電壓矢量控制原理

　　1.1 變頻調(diào)速器

　　變頻調(diào)速器把固定電壓、固定頻率的交流電（工頻電源）變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的寬范圍、連續(xù)、高效調(diào)速。常用主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.2 空間電壓矢量控制

　　空間電壓矢量控制是從電機(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。

　　它以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)的交流電機(jī)的理想磁通圓為基準(zhǔn)，通過逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，以它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)。該控制算法是把逆變器和電機(jī)看成一個(gè)整體來處理，所以采用的DSP 實(shí)時(shí)控制，有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、諧波少、電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　如果每周期只切換六次，磁鏈軌跡將呈現(xiàn)六邊形，如果要獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，就必須在每一個(gè)仔/3 電角度間出現(xiàn)更多的電壓空間矢量。

　　采用不同的基本空間電壓矢量在不同的作用時(shí)間下的線性組合，就可以得到更多相位的磁鏈?zhǔn)噶?，為此SVPWM 控制技術(shù)就是通過基本電壓矢量的

2 空間電壓矢量控制算法

　　由上述原理出發(fā)，要有效控制電機(jī)磁鏈軌跡，必須解決三個(gè)問題：

　　（1）如何選擇電壓矢量；

　?。?）如何確定每個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間；

　?。?）如何確定每個(gè)電壓矢量的作用次序。

　　第一個(gè)問題，可以選擇各扇區(qū)相鄰的基本電

　　對(duì)于第三個(gè)問題，各扇區(qū)內(nèi)電壓矢量的作用次序要保證任意一次電壓矢量的變化只能有一個(gè)橋臂的開關(guān)動(dòng)作，并盡可能的使開關(guān)次數(shù)少。電壓矢量的作用次序如表圓所示，每次矢量變換只有一個(gè)橋臂動(dòng)作，每個(gè)PWM 波都是以零矢量u0a 開始和結(jié)束，零矢量u0b 放在中間，電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)扇區(qū)的兩個(gè)相鄰基本矢量選擇順序不變，也就是說電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)只與扇區(qū)的順序有關(guān)。

　　乘加運(yùn)算可以求出當(dāng)前相位和當(dāng)前輸出頻率f 對(duì)應(yīng)的兩個(gè)基本矢量的作用時(shí)間t1、t2，再通過查表確定矢量的作用次序。

3 基于TMS320LF2407A的七段式SVPWM實(shí)現(xiàn)

　　TMS320LF2407A 是TI 公司專為電機(jī)控制而推出的專用控制芯片，運(yùn)行頻率可達(dá)到40 MHz，提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。芯片內(nèi)集成兩個(gè)事件處理模塊EVA和EVB，非常方便生成PWM的對(duì)稱和非對(duì)稱波形，具有硬件快速保護(hù)引腳PDPINTx和可編程的死區(qū)控制單元。片內(nèi)有32 kB的FLASH 程序存儲(chǔ)器，2 KB 字的單口RAM，544B 的雙口DARAM，此外2407A集成了加密功能，有效地保護(hù)了程序的安全。采用TMS320LF240A生成對(duì)稱的SVPWM 非常方便且精度高。

　　TMS320LF2407A內(nèi)部集成了SVPWM脈沖調(diào)制波生成電路，但它采用的是五段式SVPWM 脈寬調(diào)制方式，電機(jī)在低速時(shí)會(huì)出現(xiàn)不平穩(wěn)現(xiàn)象。本文采用軟件法生成對(duì)稱七段式SVPWM 調(diào)制波，如圖6 所示。采用最優(yōu)SVPWM算法，并對(duì)全頻段進(jìn)行了精確死區(qū)補(bǔ)償，有效地提高了對(duì)電機(jī)的控制精度。

　　在TMS320LF2407A 的事件管理器EVA 中，有三個(gè)16 位帶影子寄存器的實(shí)時(shí)比較寄存器，比較寄存器的加載可以設(shè)置成定時(shí)器的值為零時(shí)；一個(gè)16 位定時(shí)器可設(shè)置為連續(xù)增減計(jì)數(shù)，并在初始化時(shí)根據(jù)設(shè)置的載波頻率來設(shè)置定時(shí)器的周期值；在初始化時(shí)還要設(shè)置引腳PWM1、3、5 高有效，PWM2、4、6 低有效。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序里只需根據(jù)SVPWM 優(yōu)化算法計(jì)算三個(gè)比較寄存器的值，簡化了的流程圖如圖7所示。

　　變頻調(diào)速器輸出線電壓波形如圖8所示。

　　變頻調(diào)速器在低頻時(shí)輸出的電流波形如圖9，程序中采用了SVPWM 優(yōu)化算法，輸出電流正弦度較高；并在死區(qū)補(bǔ)償程序里采用間接電流極性判斷法，實(shí)時(shí)對(duì)PWM 值進(jìn)行補(bǔ)償控制，使電機(jī)實(shí)際電壓與期望電壓基本吻合，在補(bǔ)償切換時(shí)偏差不超過0.4 V，在低頻段實(shí)現(xiàn)了精確的速度控制。在每個(gè)載波周期的中斷程序里需要根據(jù)電流極性對(duì)PWM進(jìn)行正補(bǔ)償或負(fù)補(bǔ)償，電流極性的判斷至關(guān)重要，如果對(duì)電流極性判斷錯(cuò)誤將引起誤補(bǔ)償。簡單的根據(jù)電流傳感器判斷電流極性，在低頻時(shí)很容易出錯(cuò)，因?yàn)樵诘皖l輕載時(shí)，容易發(fā)生零電流箝位現(xiàn)象，電流發(fā)生畸變。采用間接電流極性判斷法將輸出電流傳感器瞬時(shí)值通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（M 軸與電壓矢量重合，T 軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90毅），這樣交流電流就轉(zhuǎn)換成直流量，濾波處理后通過簡單的計(jì)算就可求出電流矢量與電壓矢量的相對(duì)角度及幅值，再通過查表或計(jì)算就可確定補(bǔ)償量（與死區(qū)時(shí)間、二極管壓降、IGBT壓降有關(guān)）及補(bǔ)償方向。

4 結(jié)語

　　SVPWM 控制輸出電壓比正弦波調(diào)制提高15% ， 提高了電源電壓利用率， 采用TMS320LF2407A實(shí)現(xiàn)SVPWM優(yōu)化控制，實(shí)時(shí)性好。風(fēng)光變頻調(diào)速器經(jīng)過多年的發(fā)展，其控制算法不斷優(yōu)化，功能不斷完善，實(shí)際應(yīng)用中得到廣大用戶的好評(píng)，在冶金、電力、煤礦、發(fā)酵等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并在2007年被評(píng)為國家名牌產(chǎn)品。