PWM控制直流电机.doc

摘要空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation) 是已被应用于变频器、ups、无功补偿器等领域的新技术。近年来随着大型重工业行业的技术改造和更新工作的展开，对大功率、高质量变频器的需求与日俱增，这种情况在我国尤其突出。电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，为变频器技术日趋成熟准备了条件，先进的svpwm技术在此环境下应运而生。变频器的svpwm算法与其拓扑结构有着密切的联系，因此必须根据变频器拓扑结构的不同，选取相应的控制算法。本文从SVPWM算法的基本定义和产生原理入手对其进行了的研究，并对算法进行了仿真。SVPWM 算法实现容易，电压利用率比传统的 SPWM控制方法提高15左右，而且SVPWM 比较适合于数字化控制系统 ，为以微控制器为核心的数字化控制系统提供了优良的选择方案 ，值得推广。该课题的主要工作包括： 1）常见的PWM技术综述；2）电压型变流器的形式特点以及SVPWM原理和实现；3）电流型变流器的形式特点以及SVPWM原理和实现；4）仿真验证。关键字：电力电子技术，变频器，svpwm1.硬件设计1.1硬件结构框图1.2系统原理图及说明异步电机变频调速系统硬件框图如1.2所示。系统主要由主电路模块和控制模块两部分组成。主电路采用交直交电压型逆变电路，主要由整流电路、滤波电路及智能功率逆变电路组成，逆变电路则由IPM模块来完成。控制电路以DSP为核心，完成SVPWM算法，实现人机交互功能，同时，DSP还监控整个系统的运行状态，当系统出现故障时，DSP封锁PWM输出信号，防止发生故障而烧坏器件，确保系统的安全运行。图1.2 系统原理图本系统采用TMS320LF2812，它是TI公司专为工业控制和电机控制推出的系列产品。这款DSP将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身。有如下特性：灵活的指令系统；高速的运算能力；大容量的存储能力；有效的性能价格比。主要应用领域包括：工业电机驱动；逆变电源；功率转换器和控制器；汽车系统；仪表和压缩机电机控制；机器人和计算机数字控制机械。TMS320LF2812具有2个事件管理器；32位中央算术逻辑单元；32位累加器；16位16位乘法器；3个比例移位器；间接寻址用的8个16位辅助寄存器和辅助算术单元；4级流水线操作；8级硬件操作；6个可屏蔽中断；544字的片内DARAM和2K字的片内SARAM；32K字片内FLASH程序存储器；64K程序存储空间；35.5K数据存储空间；I/0空间64K。此外还有功能强大的外设：串行通信接口SCI；串行外围接口 SPI；CAN总线控制器；事件管理器EV；A/D转换器；看门狗WD。TMS320LF2812芯片是通过3条总线实施指令读取、泽码、取操作数、执行指令等操作。TMS320LF2812中有两个事件管理器EVA和EVB，它们都有一特殊硬件SVPWM状态机器件。因此2407A具有两个SVPWM状态机。本系统采用EVA，利用2407A内部自带的SVPWM状态机生成波形。1.3功率驱动电路本系统采用交直交电压型逆变电路，主电路的额定容量为200W，主要由整流电路、滤波电路及逆变电路组成。选取整流桥为KBJ10A-10(即10A，1000V)，整流后的直流电压Udc=1.2Ul。主电路工作时，因为智能功率模块IPM的开关频率很高，开关动作时会在直流侧产生电流突变，由于主电路分别电感的存在，在IPM模块内部的IGBT的集电极和发射极以及直流母线上会出现浪涌电压，不但影响逆变器的工作，还会损坏IGBT，因此需要在逆变桥上加上一个吸收缓冲电路，图中的电容C2和电阻R2就是一个吸收缓冲电路。C2为无极性电容，R2为无感电阻，二者接线时应尽量靠近IPM的直流进线端，减少电感可能引起的震荡。逆变电路由智能功率模块IPM来完成，这里选用三菱公司的智能功率模块IPM，选取额定电流20A、耐压600V的IPM模块:PM20CTM060。其内部结构如图 3.1所示。IPM供电电压为四组+15V电源。它有过流、过热、欠压、短路四种保护。有故障时，IPM低电平输出电流为10mA，宽度为1.8ms的脉冲信号，由于其内部的保护并不是针对反复出现的故障，所以一旦输出故障信号FO，系统必须马上做出反应，停机检查，否则循环输出故障信号容易打坏模块。智能功率模块的选用，大大减少系统的体积，提高了系统的性能和可靠性。图 0.1 IPM内部结构图1.4 SVPWM驱动电路及保护电路以u相上桥臂为例，其驱动接口电路如图 3.2所示，由于驱动电路控制电压是5V，而DSP输出的PWM脉冲电压幅值是3.3V，因此需要进行电平转换，本设计采用电平转换芯片74LVC4245实现从3.3V到5V的转换。光耦采用高速光耦芯片TLP521，在光耦的输入端接入限流电阻R7，防止电流过大烧坏光耦，在IPM的控制信号输入端连接上拉电阻R1R6，以防止由于du/dt的作用而产生误动作。图 0.2 PWM驱动电路当IPM的FO引脚输出低电平脉冲，经光电耦合后把DSP的PDPINTA引脚也拉为低电平，此时所有的PWM输出管脚都呈高阻状态。同样，它与DSP的接口电路也需要进行电平转换，这里采用电阻分压的方式，具体接口电路如图 3.3所示。还设计有蜂鸣器报警电路，当故障信号输出时，蜂鸣器报警，提醒操作者第一时间做出反应，防止故障循环输出。图 0.3 FO故障输出信号触发电路1.5键盘和液晶本实验平台的键盘输入采用44的矩阵式键盘，有0-9共10个数字按键和A-F共6个辅助按键。与DSP接口电路如图 3.4所示。本系统能够完成异步电机的变压变频调速实验，因此键盘的主要功能是输入频率指令值和启、停电机以及对电机的加减速控制。键盘各个键的功能说明如表 31所示。图 0.4 键盘输入及液晶显示键值0-9ABCDEF功能频率输入加速减速待用删除启动停止表 01 键盘各值功能从附表中可以看到，实验充分利用了矩阵式键盘按键丰富、显示明确的特点，数字键和字母键分别实现不同的功能，赋值明确，一目了然，便于操作。系统显示采用液晶显示模块RT12232F。为了节省资源，尽量少占用DSP的I/O口，因此液晶显示采用串行控制方式。接口电路如图 0.4所示。将显示模块串口的同步时钟引脚(SCLK)和数据输入引脚(sid)与DSP的两个通用I/O相连;在对比度调整端通过接入10KW的电位器来调整显示器的背光和对比度，使显示更加清晰。由于液晶显示模块的工作电压为5V，所以加入电平转换芯片实现电平转换。将液晶显示与键盘输入相结合，即能完成人机通讯的任务。这里液晶显示器可以实时显示键盘设定的频率和通过光电编码器测得的转速值。 2系统原理说明及软件设计2.1SVPWM的原理及实现pwm(pulse width modulation)控制技术是利用电力电子开关器件的导通和关断作用把输入的直流电变成输出脉冲列，并通过控制脉冲宽度或周期来达到变压、变流或变频的目的。pwm的控制方法可根据不同分类法分成多种方法。从控制思想上来看,可以分作四类,即等脉宽pwm法、spwm(sine pwm)法、svpwm法和电流跟踪型的pwm法。2.2 svpwm控制方法简介svpwm的主要思想是:以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成pwm波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的spwm方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而svpwm方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。2.3 pwm逆变器输出的矢量表示电机理想的供电电压为三相对称正弦波，设线电压vdc，相电压表示式如下:根据合成电压矢量公式 由上面的式子可得从(5)式可以看出，合成电压矢量是一个随时间变化、幅值一定的圆形磁场，而磁场是电压的积分，因此产生的磁场也是一个圆形的旋转磁场，图1为逆变器简化的拓扑图，定义三个开关函数sa，sb，sc，用1代表1个桥臂的上桥臂导通，用0代表1个桥臂的下桥臂导通。则对于180导通型逆变器来说，三相桥臂的开关有8个导通状态，包括6个非零矢量和2个零矢量。图1 交流电机控制逆变桥结构图图2 电压矢量图由(5)式可得8种电压矢量v4(100)、v5(101)、v1(001)、v3(011)、v2(010)、v6(110)、v0(000)和v7(111)分别对应的值为括号中的二进制数，表示三相a、b、c的状态，vk中下标k07是十进制数，表示括号中二进制数值。如图2所示，这八种电压矢量，除了v0、v7幅值为0外，其它电压矢量幅值均为vdc。合理的选择6个非零矢量的施加次序和作用时间，可使磁链空间矢量矢端顺时针或逆时针旋转形成一定的磁链轨迹。选择的方式不同，形成的磁链轨迹形状也不一样。这就是磁链轨迹的形成原理。在图2中，逆变器的一个工作周期被6个有效的电压空间矢量划分为6个扇区。在每一个扇区内，都可采用临近的两个非零矢量来合成处在此扇区的电压矢量。以图2中的电压矢量vr为例来说明其过程。用电压矢量v6、v4、v0来合成vr，并按照伏秒平衡的原则得tn为对应电压矢量vn的作用时间(n0，4，6)，结合式(5)可得:令上式等号两边的实部、虚部相等，可以得到下面的等式:则由电压矢量v6、v4、v0和上面求出的作用时间相结合，可以控制电压矢量，形成多边形的电压矢量轨迹，从而获得更加接近圆形的旋转磁通。各电压矢量的作用次序要遵守以下原则:任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂开关动作，即在二进制矢量中每次只有一位变化，因为如果允许有两个或三个桥臂动作，则在线电压的半周期内会出现反极性的电压脉冲，产生反向转矩，引起转矩脉动和电磁噪声。由此可以得出，随着合成电压矢量vr的幅值增加，t4和t6的值不断增加，t0逐渐减少，但t0必须大于零，将此条件代入t0表达式，得到下面的条件在实际中，此式对任何均成立，即有。可见，当输出电压达到上限值时，其输出线电压基波峰值可达vdc。svpwm的调制相电压波，相当于在原正弦波中注入了三角形三次谐波，当正弦调制波幅值为1时，形成svpwm调制相电压幅值为，svpwm调制方法比传统的规则采样spwm提高了15.4的电压利用率，能明显减少逆变器输出电流的谐波成分以及电机的谐波损耗，降低转矩脉动。2.4 选择电压矢量规律电压矢量的选择方案很多，优化目标不同，最优选择方案也不同。这里介绍了一种方案，以便了解如何选择电压矢量。图3 12个扇形区，主、辅、零电压矢量图3中把园划分为12个扇区，从虚轴沿顺时针方向划分011共12个区，每区选用3个矢量，其中2个非零矢量，1个叫主矢量(main vector)用m表示，1个叫辅助矢量(sub -ordinote vector)用s表示和1个零矢量(zero vector)用z表示。用6个非零电压矢量要产生一个理想的圆形磁链轨迹是困难的。但是如果把圆周等分成n份，组成1个正n多边形，用6个非零电压矢量产生1个正n多边形轨迹的磁链是可能的，n值取12的倍数，n值越大，正n边形就越逼近理想圆形。12个扇形区，各区选的非零矢量各异。例如磁链矢量是按顺时针方向旋转，在零扇形内只有选v4、v6是合适的，v4是与零扇形区起始边(与虚轴重合的边)成垂直关系，所以组成零扇区主要依靠v4作主矢量，其次v6作辅助矢量。磁链矢量旋转到1扇区，该区还是选v4、v6，但是v6作为主矢量，v4作为辅助矢量，虽然v4、v6对于1扇区起始边都是成60的关系，好像v4、v6作用是一样的，但是随着旋转v6的作用超过了v4，到了2扇区起始边时v6就与这个边成垂直关系了，所以在1扇区就把v6当作主矢量，v4作为辅矢量。以下各扇区的非零电压矢量的选择依次类推。2.2SVPWN的原理及流程图2.3软件流程图系统软件由主程序、中断程序和子程序组成。其中，主程序包括系统初始化和主循环等待;子程序包括电机运行频率和指令给定子程序、显示子程序;中断程序包括SVPWM波形的生成和功率驱动保护中断程序。系统主程序流程图如图 4.1 主程序流程图所示。使用的是目前最流行的七段式SVPWM波形生成法。利用DSP定时器的下溢功能产生中断，即进入子程序计算出下一个PWM周期的三个比较寄存器的比较值。程序可以实现调制波频率0-50Hz的变频功能、死区功能，其中载波频率和采样频率可以根据实际情况由软件进行设置。 图 0.1 主程序流程图 图 0.2 中断子程序流程3.系统仿真及分析4.实验验证4.1波形4.2分析5.小结通过这次课程设计，通过本次运动控制课程设计，学习和巩固了很多运动控制相关知识和DSP基础知识。从最初不熟悉设计流程到顺利完成整个设计，中间付出了辛勤的汗水和宝贵的时间。在设计过程中，不但学会了怎样运用已学的知识到实践当中，而且学会了怎么样有效地查找资料，提高工作效率，提高了管理和沟通能力。在设计过程当中，得到了老师和同学的热心帮助，感谢老师和同学的指导和帮助。 该设计利用DSP设计的信号发生器不仅成功实现了输入时间信号到SVPWM触发信号的转换，而且具有良好的抗干扰能力。此外，其并行处理结构可以保证三相桥臂开关同时动作，有效地提升了控制系统的整体性能。可简便地应用于逆变器控制系统中。该设计完全实现数字化，可靠性高，控制精度高，性能优良。致谢参考文献1齐悦，杨耕，窦日轩，基于多电平变换逆变电路的拓扑分析，电机与控制学报，2002，6(1