基于TMS320LF2407A的SVPWM變頻系統(tǒng)

　　近年來，變頻技術(shù)飛速發(fā)展，脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)在變頻器中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。把逆變器和異步電機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制PWM電壓，使得磁鏈的軌跡靠電壓空間矢量相加得到，由此產(chǎn)生了電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)。使用該方法能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成分及電動機(jī)的諧波損耗，降低了轉(zhuǎn)矩的脈動。由于其控制簡單、噪聲低、電壓利用率高、方便實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，目前已有取代傳統(tǒng)SPWM控制的趨勢。

　　TMS320LF2407A是TI公司推出的專用電機(jī)控制芯片的高端產(chǎn)品，他將DSP的高速處理性能和電機(jī)控制的必備外圍電路集于一身，為電機(jī)控制系統(tǒng)的整個(gè)數(shù)字化提供了一個(gè)完美的解決方案。

    1 電壓空間矢量技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)方法

　　電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM，也稱為磁通正弦PWM)是從電動機(jī)的角度出發(fā)，著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通。他以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，從而達(dá)到較高的控制性能。

　　實(shí)現(xiàn)SVPWM的方法有磁鏈圓軌跡法、電壓矢量合成法等。在這里采用了電壓矢量合成法，即采用2個(gè)非零矢量和2個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量。如圖1所示，在某個(gè)時(shí)刻Wout旋轉(zhuǎn)到某個(gè)扇區(qū)中，就由組成這個(gè)扇區(qū)的2個(gè)非零矢量Ux和Ux+60分別作用于T1，T2時(shí)間，先作用Ux的稱為主矢量，后作用的Ux+60稱為輔矢量，時(shí)間分解如圖2(a)所示，為了計(jì)算方便本文采用圖2(b)去等效圖2(a)。

　　依圖2(b)有：

　　式中Tc為采樣周期。

　　取調(diào)制度：

　　故可得：

　　由此可見，在SVPWM中，調(diào)制度最大可取到1.15，這比SPWM所能達(dá)到的Mmax=1.O高出15%，使電源的利用率更高，這是SVPWM控制方式的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。

　　2基于TMS320LF2407A的SVPWM波形的產(chǎn)生

　　本文采用TI公司專為電機(jī)控制而推出的專用控制芯片TMS320LF2407A，產(chǎn)生恒壓頻比控制下的SVPWM波形。

　　事件管理模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，首先要對他進(jìn)行正確的配置。

　　首先將定時(shí)器設(shè)置成連續(xù)增/減計(jì)數(shù)方式，將PWM載波周期的一半作為周期寄存器的值。一開始，計(jì)數(shù)器做增計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與周期寄存器的值相等或上溢時(shí)就變?yōu)闇p計(jì)數(shù);當(dāng)計(jì)數(shù)器的值減到零時(shí)又變?yōu)樵鲇?jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)器增計(jì)數(shù)的過程中，如果計(jì)數(shù)值等于比較寄存器的值，則PWM引腳上發(fā)生跳變，而在計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)的過程中，再次計(jì)數(shù)到與比較寄存器的值相等時(shí)，PWM引腳上就會發(fā)生與剛才相反的跳變。這樣，只要改變比較寄存器的值，既可以改變輸出脈沖的寬度，實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的調(diào)制。同時(shí)可以看出，比較值的改變影響PWM脈沖的雙邊，這就是對稱PWM波形的特點(diǎn)。

　　如果比較值等于0，則PWM引腳輸出始終為1;如果增計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)時(shí)的比較值都≥周期值，則PWM輸出引腳保持為0。

　　在事件管理器的初始化程序中，為了產(chǎn)生對稱PWM波形，需將將定時(shí)器1配置成連續(xù)增/減計(jì)數(shù)方式，且使用內(nèi)部時(shí)鐘作為定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘;將PWM1，PWM3，PWM5設(shè)置成高有效，PWM2，PWM4，PWM6設(shè)置成低有效。即當(dāng)發(fā)生比較匹配(比較值=計(jì)數(shù)值)時(shí)，引腳PWM1，PWM3，PWM5上輸出正脈沖，而PWM2，PWM4，PWM6引腳上輸出負(fù)脈沖。在本程序中，生成SVPWM波形時(shí)使用的是異步調(diào)制法，即載波頻率不變，只是調(diào)制信號的頻率在變化?？紤]到三相逆變器對PWM信號載波頻率的要求，取載波頻率為2.5 kHz，于是，載波周期就等于400μs。事件管理器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘為CPU時(shí)鐘(40 MHz)的2分頻--20 MHz，所以，載波周期的值就應(yīng)為400μs(8 000*1/20 MHz=400μs)，周期寄存器的值就應(yīng)為200μs(載波周期的一半)。為了避免三相逆變器同一橋臂上的上下兩只IGBT同時(shí)導(dǎo)通而造成短路，需在PWM信號中加入一定的死區(qū)，本程序中的死區(qū)時(shí)間設(shè)為2.0μs。

　　由于定時(shí)器2用于正交編碼計(jì)數(shù)，故需將定時(shí)器2設(shè)為定向的增/減模式，并使用正交編碼脈沖作為計(jì)數(shù)脈沖。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)的基本思想是結(jié)合串口控制和DSP各自的優(yōu)點(diǎn)，利用控制面板方便的輸入、輸出功能和DSP的高速運(yùn)算能力，將任務(wù)進(jìn)行合理分配。同時(shí)亦可利用筆記本電腦的串口及專用的串口設(shè)置程序進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行的必要設(shè)定。上位機(jī)的監(jiān)控界面使用Visual Foxpro編寫，此監(jiān)控界面可以實(shí)現(xiàn)變頻器的實(shí)時(shí)速度設(shè)定，并且可以對下位DSP運(yùn)行情況，及外部狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。如遇到故障可進(jìn)行故障報(bào)警并及時(shí)終止程序，保護(hù)硬件設(shè)備不受損壞。此界面里的數(shù)據(jù)只有獲得權(quán)限的工作人員才能使用，這樣有效地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)的保護(hù)。DSP的系統(tǒng)軟件由主程序和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。

　　主程序在完成系統(tǒng)初始化之后進(jìn)入循環(huán)，等待中斷的發(fā)生。當(dāng)串行口中斷發(fā)生時(shí)，進(jìn)行控制面板與LF2407A的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。接收串口的啟動、實(shí)時(shí)速度設(shè)定命令、同時(shí)檢測電流、轉(zhuǎn)速和發(fā)出6路PWM脈沖在DSP的定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中完成;串口中斷同時(shí)定期的接收上位機(jī)的查詢狀態(tài)指令，這時(shí)DSP通過串口發(fā)送目前電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的信息如目前實(shí)際轉(zhuǎn)速，以及檢測到的定子電流信息等。在此程序中，串口對DSP設(shè)定的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)命令的大小是由主設(shè)定和輔助設(shè)定來來完成的。主設(shè)定和輔助設(shè)定之間的關(guān)系是主設(shè)定與輔助設(shè)定的和，是最終設(shè)定在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)程序中的給定。在這里，主設(shè)定是對電機(jī)轉(zhuǎn)速粗略設(shè)定的作用，輔助設(shè)定則起到的作用是細(xì)微調(diào)節(jié)的作用。這樣的處理實(shí)現(xiàn)設(shè)定速度與實(shí)際所測得的轉(zhuǎn)速一致，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速精確控制的目的。主程序流程圖如圖4所示。

　　4 結(jié) 語

　　用TMS320LF2407A實(shí)現(xiàn)SVPWM的變頻控制系統(tǒng)，經(jīng)過電壓空間矢量PWM技術(shù)與DSP技術(shù)的結(jié)合，使電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動降低，消除諧波效果比SPWM要好，可以提高電壓利用率。硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，SVPWM的實(shí)現(xiàn)更加方便、準(zhǔn)確，更接近于理想正弦磁通控制。

　　采用1臺鼠籠式異步電動機(jī)，參數(shù)為：額定功率1.5kW，額定電流2.75 A，額定電壓220 V，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min。在空載情況下，相電流非常接近正弦波，實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩控制。當(dāng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩突然發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、相電流響應(yīng)快速，穩(wěn)態(tài)誤差接近5%。通過實(shí)踐應(yīng)用證明，本系統(tǒng)具有良好的動/靜態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性及控制精度高、響應(yīng)速度快，為DSP在運(yùn)動控制領(lǐng)域的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。