基于SVPWM的交流电机变频调速系统的研究

SVPWM的交流电机变频调速系统的研究

文章编号:1009 3664(2008)02 0013 02研制开发

基于SVPWM的交流电机变频调速系统的研究

吴志友,王 英,刘思华

(大连交通大学电气信息学院,辽宁大连116028)

摘要:文章在分析电压空间矢量调制原理的基础上,给出了一种基于TMS320F240的数字化实现算法,并设计了以TMS320F240为控制核心的变频调速系统的硬件和软件。试验结果表明本系统与SPWM三相逆变器相比具有更高的控制精度和更好的谐波抑制能力,能很好地降低逆变器的电流谐波成分和转矩脉动。

关键词:TMS320LF240;SVPWM;变频调速中图分类号:TM921.51

文献标识码:A

ResearchVariableFrequencyAdjustableSpeedSystemofACMotorBasedonSVPWM

WUZhi you,WANGYing,LIUSi hua

(CollegeofElectricalInformation,DalianjiaotongUniversity,Dalian116028,China)

Abstract:Byanalyzingthebasicprincipleofvoltagespacevectorpulsewidthmodulation,asortofdigitalarithmeticisexpatiatedandthehardwareandsoftwareoffrequencyregulatingspeedsystemforSVPWMaredesignedwithTMS320F240asitscoreinthispaper.TheresultsofexperimentindicatethatthesystemhasahighercontrolprecisionandbetterdynamiccapabilitycomparedwiththreephasesinverterbasedonSPWM,andthesystemcandecreaseobviouslycur rentharmoniccomponentofinverterandharmonicwearofmotor,anddebasetorquebouncing.

Keywords:TMS320F240;SVPWM;variablefrequencyadjustablespeed

0 引 言

在交流调速领域中,随着高开关频率的功率器件(如IGBT、MOSFET等)出现,脉宽调制(PWM)技术取代了老式相控技术,一跃占据了主导地位。在众多PWM技术中,电压空间矢量PWM(也称

为磁链跟踪PWM)调制具有比较显著的优点:电流谐波少,转矩脉动小,噪声低;还有一个不太显著的优点是:相对于常规正弦脉宽调制逆变器(SPWM),直流电压利用率提高约15%。电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)是把逆变器和电机视为一体,控制电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。它能够明显地减少逆变器的输出电压的谐波成分及电动机的谐波损耗,降低了转矩的脉动。本文结合TMS320F240的特点给出了其数字化的解决方案。

U0、U60、U120、U180、U240、U300、O000、O111,其中O000和O111为零矢量。把它们映射到Park复平面下,就可以得出空间电压矢量图,如图2所示。在图中,U0、U60、U120、U180、U240、U300六个非零空间电压矢量幅值相等,相位依次互差600,把复平面分成6个扇区。两个零矢量O000和O111位于圆心,

图中未标出。

图1 逆变器 电动机等效电

路图

1 SVPWM的基本原理

在交流电机变压变频调速系统中,三相电压型逆变器可等效成由图1所示的6个开关元件组成,电机的相电压和线电压依赖于它所对应的逆变器桥臂上下

6个功率开关的状态,根据SA、SB、SC为0或1可以组合23=8个状态,这8种工作状态可相应表示为8个矢量称作基本空间电压矢量,根据其相位分别命名为

收稿日期:2007 09 18

作者简介:吴志友,男,大连交通大学在读硕士研究生,研究方向为基于TMS320F240的交流电机矢量控制系统的研究。

图2 三相电压型逆变器的基本空间电压矢量

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电压空间矢量脉宽调制的目的就是通过控制6个功率开关的8种工作状态来逼近电机工作所需要的任意时刻电压矢量Us,从而达到较高的控制性能。

(1)判断矢量Uout所在的扇区

2 SVPWM在DSP上的实现

利用TMS320LF240可以方便地实现空间电压矢量的PWM控制。SVPWM通常有硬件实现和软件实现两种方法,硬件实现是通过DSP内置的SVPWM状态机,编程简单,易于实现,但输出线电压的谐波含量大。软件方法是通过常规的比较功能实现,输出电压谐波含量小,是目前最为常用方法。

目前最流行的是七段式空间电压矢量PWM波形,它由3段零矢量和4段相邻的非零矢量组成,3段零矢量分别位于PWM波的开始、中间和结尾。根据以上原则,首先确定每个扇区的起始矢量,进而得到扇区旋转方向,如图3所示。由这种选择方法产生的七段式空间电压矢量PWM波形如图4所示(本文只列出一个扇区波形图)。

采用软件生成SVPWM的过程是,当定时器的计数器累加到等于CMPRx(x=1,2,3)的值时,就会改变空间矢量对应的控制信号输出。例如在CMPR1中写入0.25T0,CMPR2中写入0.25T0+0.5T1,CM PR3中写入0.25T0+0.5T1+0.5T2,定时器的计数器值一一与CMPRx相匹配,就会输出图4所示的PWM波形。通常在电机控制程序中,SVPWM波形的输出是由定时器中断服务子程序来完成的。在主程序中根据电机控制策略计算出输出电压的频率,等待中断的产生。在定时器中断服务子程序中,根据此时的输出电压频率f和Uout的当前位置确定出下一个载波周期T

PWM

图4 第一扇区电压矢量PWM波形图

首先定义:

UDCUDC=Ub;UDCint=2vDC;Uref1=Us ref;Uref2=2(3Us ref-Us ref);Uref3=

(-3Us ref-Us ref);符号说明UDC:2

直流母线电压;Ub:线电压最大值;UDC:直流母线电压对应的标么值;Uref1、Uref2、Uref3:扇区判断变量;Us ref: 轴参考电压;Us ref: 轴参考电压。扇区判断方法如下:IFUref1>0THENA:=1,ELSEA:=0;IFUref2>0THENB:=1,ELSEB:=0;IFUref3>0THENC:=1,ELSEC:=0;sector:=A+2B+4C。

(2)确定每个扇区中相应电压矢量的作用时间令 X=3UDCintUs ref;Y=Us ref;Z=

UDCintUs ref+UDCint22

UDCintUs ref-UDCintUs ref;22

饱和判断:IF(t1+t2)>PWMPRDTHENt1=t1

,t2=t2,符号说明:X、Y、Z:计算

t1+t2t1+t2矢量作用时间变量;UDCint:在SVPWM中使用的常量;PWMPRD:采样周期;t1、t2:时间参数。

表1 不同扇区的t1、t2取值

sector

t1t2

1ZY

2Y-X

3-ZX

4-XZ

5X-Y

6-Y-Z

中U的位置,确定主矢量和辅矢量,并

out

计算出它们分别作用的时间T1、T2,得到发生匹配的时间值,写入CMPRx

中。

(3)确定开关顺序,为比较寄存器赋值

令taon=

12

;tbon=taon+t1;tcon=

2

tbon+t2,式中,taon、tbon、tcon为计算占空比变量。

根据表2可以为每个扇区功率器件的导通时刻进行赋值。

表2 不同扇区的功率器件导通时刻

sectorCMPR1CMPR2

图3 软件模式下的基本空间电压矢量转换方向

CMPR3

1tbontaontcon

2taontcontbon

3taontbontcon

4tcontbontaon

5tcontaontbon

6tbontcontaon

SVPWM数字化算法实现的关键是根据所需要的转速计算出电压矢量的大小和方位以及合成电压矢量的各个矢量作用时间的大小,下面对此具体实现加以说明。3 实验结果及分析

为了验证上述控制方案进行了试验研究,IPM选

(下转至第26页)

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从而能够引导ESD能量经由一低阻抗路径到机壳接地或大地接地。如果在PCB边缘有使用隔离壕沟(moat),则只需在分割点之处将护卫带断开。在此情况下并不会减低ESD或EMI之效能。要注意的是若是护卫带没有在壕沟处断开,会造成严重的EMI问题。护卫带侵入到壕沟内,即使仅仅在壕沟的尾端,也会在壕沟内部的平面之间产生很大的杂散电容,因而引起EMI及ESD之问题。

当使用护卫带时,所有在PCB上的信号线应该要距离板边有超过信号线到接地平面高度的距离。例如,如果布线层与接地平面之距离是6mil,则信号线应该与护卫带之间的距离在6mil以上。

的高速PCB板。参考文献:

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4 结束语

高速PCB设计是一个复杂的设计过程,除了需要

了解布线知识以外,还需要了解信号完整性理论,EMI理论以及ESD的知识。在设计PCB时,合理应用本文介绍相关知识,选择合适的PCB叠层方式,进行合理的元件分组和布局,同时在布线时遵循相关的布线原则,并做好ESD保护等工作,就能设计出性能良好

(上接第14页)

用日本三菱公司的PM50RSA120。试验负载电机是一台三相异步电机,参数如下:PN=100W、Un=220V、In=0.5A、In=50Hz,n=1420r/min.下面是用日置3194电机谐波分析仪分别测得的电机空载时各线电压和定子电流波形,如图5、图6

所示。

由图5可知直流电压的利用率较高。由图6可知,用该控制方案可以得到比较光滑的电流正弦波,电流脉动也得到了有效抑制。

4 结 论

本文研究了用TMS320F240实现SVPWM的变频调速系统,经过上述分析和试验结果表明:

(1)SVPWM实现容易,谐波优化程度高,消除谐波效果好,有效的提高了电压利用率。

(2)利用输入电压空间矢量定向,根据参考电压的符号和大小直接计算矢量所在扇区和作用时间,大大简化了计算,便于数字化实现。参考文献:

图5

输出线电压波形

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图6 电机定子电流波形

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/itg1.html