专业组-先进控制类-东北大学-基于TMS320F28335控制的高性能变频调速系统的开发.doc

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题 目： 基于TMS320F28335控制的高性能变频调速系统的开发 学校： 东北大学 指导教师： 满永奎 组别： 专业组 应用类别： 先进控制类 平台： C2000 参赛队成员名单（含每人的邮箱地址，用于建立人才库）：耿智（）曹俊伟（）郝文升（）视频文件观看地址（若未拍摄，请注明）： /v_show/id_XMzU2MzE0NTAw.html邮寄地址和收件人联系方式：辽宁省沈阳市沈河区文化路东北大学矿电楼电气工程实验室耿智 题 目： 基于TMS320F28335控制的高性能变频调速系统的开发 摘要随着电力电子器件和微处理器技术的不断发展，交流变频调速系统得到了迅猛的发展；本文设计了以TMS320F28335为核心的硬件控制电路，对交流调速SVPWM算法进行了实验，实验结果验证了这种算法的正确性。在此基础上，对变频调速系统的VF控制系统进行了实验研究，实验结果表明：控制系统实现了异步电机的变频控制，具有良好的动态响应。Abstract With the rapid development of power electronic devices and microprocessors, AC variable frequency and speed regulating system has also made a breakthrough. The thesis introduces the hardware circuit design based on TMS320F28335, and the result of the experiment proves the SVPWM algorithm is correct. It also does some research on VF control system of the inverter and the result of the experiments proves that the control system achieves the purpose, and has a quick dynamic response.1. 引言近年来，交流变频调速装置在工业中得到了广泛的应用，根据国家有关部门的调查统计，我国发电量的50%以上用于推动电动机做功，其中90%的电动机是交流电动机。这类高压电动机被广泛用于电力、冶金、钢铁、石化、煤矿等大、中型企业，拖动风机、泵类、压缩机等各种负载设备，而且大多数采用直接恒速拖动，每年都会造成大量的能源浪费。此类负载工况变化较大，如采用交流调速技术实现变速运行，节能效果明显。因此，我国的高压变频器市场规模十分庞大，根据相关统计，2009年市场规模达到了39亿元，并且市场规模将持续的增长，预计到2012年将达到85亿元。由于国内大容量高性能交流调速系统的研制工作起步较晚，仅有少量产品投入运行，目前很多必须的场合均为国外产品所占领。而国外产品一般价格较高，很难为一般用户所接受；且国外的电网等级一般为3kV，而国内的电网等级多为6kV和10kV，直接从国外进口变频器存在着电网等级不匹配的问题。以上原因相应的限制了此类系统在我国的推广和应用。因此，研制出性能可靠、价格合理的高压大容量高性能变频调速装置并尽快投入批量生产，具有重要的现实意义。同时不可控整流器的谐波污染问题越来越得到重视，应用PWM整流器，解决谐波污染得到了广泛的共识。针对以上问题，本系统设计利用TMS320F28335为控制核心的实验系统，对双PWM变频调速系统的控制进行了实验研究。2. 系统方案 本设计的三相PWM变频器系统实验平台的硬件由两大部分组成，分别是主电路部分和控制电路部分。如图1所示。图1 系统实验平台结构图系统主电路部分主要由网侧滤波电感、三相整流桥、直流储能电容、三相逆变桥和异步电机组成。控制电路部分以TMS320F28335 为核心，辅以电流、电压、速度检测和PWM 驱动等模块电路。1） 主电路采用三相整流桥和逆变桥，可实现双侧的PWM控制，实现电机的四象限运行，能量回馈，达到节约能源，减少谐波污染的目的。主电路结构图如图2所示。图2 主电路结构图2）控制电路部分硬件控制电路以TI公司高性能的32位浮点DSP控制芯片TMS320F28335为核心，辅以电流、电压、速度检测和PWM 驱动等功能电路。控制系统结构图如图3所示。TMS320F28335的时钟频率高达150MHz，并且具备浮点运算单元（FPU），68K的RAM和512K的Flash，在运算速度和运算精度上完全可以满足高性能双PWM变频控制系统的需要。此外，TMS320F28335还具有丰富的片内外设单元，最高支持18路PWM信号输出，具有2个正交编码单元（eQEP）、6个捕获单元（eCAP），支持CAN、SCI、SPI、I2C通讯42，通过数模转换单元（ADC）可以实现电机电流信号、直流母线电压信号的A/D转换，通过正交编码单元（eQEP）实现电机速度的检测和电机的旋转方向，通过脉冲调制模块（ePWM）生成12路PWM驱动信号，正好可满足两电平系统所需的全部12路PWM信号。采用互补输出模式，在DSP内加入死区延时，保证主电路的可靠工作。图3 控制系统结构图目前应用在变频器上的PWM调制方法可以分为两类：基于载波的SPWM调制方法和空间矢量脉宽调制（SVPWM）。SPWM算法，就是利用一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其脉冲宽度是由正弦波和三角波相交生成的，来等效正弦波形。SVPWM算法，就是用逆变器每个开关周期内输出的三相脉冲电压合成电压矢量，与期望输出的三相正弦波电压合成的空间矢量（参考矢量）等效。SVPWM算法的直流母线利用率较高，但是SPWM算法注入三次谐波以后也可以到达的相同直流母线利用率。控制系统采用VF控制策略，调制波部分采用SVPWM调制方式。在异步电动机的调速系统中，变压变频调速系统(Variable Voltage ariable Frequency System)是控制性能最好，效率最高的调速系统VF控制是指在调速过程中保持电压和频率的比值不变，即在改变电源频率的同时，保证电机的定子磁通恒定由于其具有软、硬件实现简单、性价比合理等优点，而在交流调速中得到了广泛应用。SPWM和SVPWM并不是两种孤立的调制方法，典型的SVPWM是一种在SPWM的相调制波中加入了零序分量后进行规则采样得到的结果，只不过从实现方法上来看，SPWM算法更适合于硬件电路实现，而SVPWM算法更适合于数字化控制系统。因此，SVPWM算法目前广泛的应用于数字控制的电压源型逆变器中。本设计中，采用SVPWM调制方法，同时，为了消除偶次谐波，采用小矢量对称的开关顺序。3. 系统硬件设计本系统对控制电路中的DSP外围电路、ADC接口电路、码盘接口电路、电平转换电路等进行了设计，下面对其关键部分进行详细的介绍。3.1 DSP外围电路 DSP的外围电路主要包括：电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG接口电路和外部存储电路。（1）电源电路TMS320F28335的I/O引脚和可编程Flash的电压是3.3V，而内核的供电电压是1.9V，因此，DSP芯片需要3.3V和1.9V两种电压供电。这里采用TI公司专门为DSP控制系统设计的电源芯片TPS73HD301，该芯片输入电压为5V，输出有固定3.3V和1.2V9.75V可调，每路输出最大750mA，通过调节R23和R24的电阻值可以调节输出电压至1.9V。（2）时钟电路TMS320F28335的时钟频率为150MHz，由30MHz的外部时钟信号通过DSP内部的PLL倍频得到。这里采用30MHz的有源晶振。有源晶振与无源晶振相比，不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单，不需要复杂的配置电路。图4 时钟电路（3）复位电路为了防止系统出现死机等状况，需要手动复位电路，当按下复位按钮后，会产生一个低电平脉冲送入DSP的复位引脚。这里采用复位芯片SP708R，复位芯片与常规的复位电路相比可靠性更高，电路更加简单。复位电路如图5所示。（4）JTAG接口电路TMS320F28335通过标准的14针JTAG接口与仿真器连接，仿真器通过USB线缆与PC机连接，这样才能实现DSP的在线编程和调试。因此JTAG接口在控制系统中是必不可少的。图5 DSP复位电路（5）外部存储电路 控制系统需要保存大量的参数，例如电机的铭牌参数、PI调节器的参数、故障代码等，考虑到DSP的I/O端口电压为3.3V，故选用3.3V的EEPROM芯片24WC256。DSP通过I2C总线对24WC256进行读操作和写操作。3.2 ADC接口电路为了实现三电平逆变器的VF控制，需要检测直流母线电压和异步电机的相电流，对于TMS320F28335的ADC模块，模拟量的输入范围为03V，而电压、电流传感器的输出值往往不在这个电压范围内，因此需要设计ADC接口电路，对传感器检测到的电压值进行量化处理，满足TMS320F28335对于模拟量输入的要求。电压检测接口电路如图6所示： 图6 电压检测电路下面以为例进行说明，通过R29和R30分压，对电压测量值的电压值进行调节；通过R35、R38、C35、C38和U14A组成的有源滤波电路对电压测量值进行滤波处理；通过C74、R92和U14B来调节输出电阻；通过齐纳二极管D9和D10对模拟量输入的限幅，防止输入电压值过大，烧坏DSP的ADC模块。电流检测接口电路，电路的基本结构和电压检测接口电路类似，在电压检测电路的基础上，增加了直流偏置电路。3.3 码盘接口电路在异步电机的矢量控制中，需要使用光电编码器来检测电机转速。选择的编码器为欧姆龙公司的E6B2-C，分辨率为每转1000个脉冲，采用+15V供电，光电码盘反馈的脉冲信号也为15V，因此需要设计码盘接口电路来进行脉冲信号的电平变换。3.4 电平转换电路DSP和CPLD的I/O端口电压为3.3V，而很多的外部接口电路，例如IGBT驱动电路的输入电压、码盘接口电路的脉冲信号、数字量输入和数字量输出的电压信号均为5V。因此需要电平转换电路，来实现控制电路和外部电路的信号传递。这里选择TI公司的电平转换芯片SN74ALVC164245，该芯片支持16路信号的电平转换，驱动能力强，并且可以通过DIR引脚来设置信号的传输方向。4. 系统软件设计系统的控制算法采用VF控制，VF控制是指在调速过程中保持电压和频率的比值不变，即在改变电源频率的同时，保证电机的定子磁通恒定。交流异步电机定子绕组的感应电动势有效值为：其中，k为常数，为定子磁通，U为定子电压，为频率，E为感应电势。在进行变频调速时，在U不变的情况下，如果下降，增加，将引起磁通饱和，电流波形畸变，削弱电磁转矩，影响机械特性，如果增加，则下降，导致负载能力下降。因此，在改变的同时，改变U，保持U/ =为恒值。同时还应考虑电压较低时的定子压降。由于VF控制具有软、硬件实现简单、性价比合理等优点，而在交流调速中得到了广泛应用。调制算法采用SVPWM控制，该算法的核心是保证电压空间矢量 (三相定子电压矢量和)的运行轨迹为圆形，并产生谐波含量较少、直流母线电压利用率较高的输出。根据伏秒平衡原理，利用逆变器功率开关管的8个开关状态所确定的基本电压矢量和顺序组合，以及开关管导通时间的调整，可以获得所要求的参考电压空间矢量，从而实现交流电动机的变频调速。本设计在基本算法的基础上。采用消除偶次谐波的SVPWM算法，收到良好的效果。本文基于VF控制模式，结合SVPWM算法，设计了用TMS320F28335实现的三相异步电机变频调速方案。 其算法框图如图7所示：图7 VF控制系统框图在空载情况下的MATLAB仿真结果如下图所示，给定速度为900rpm，分别为转速和电流波形： （a） （b）图8 （a）转速 （b）相电流从仿真结果可以看出，电机动态响应良好，运行情况稳定，从理论上验证了该算法的可行性。整流侧采用电压定向控制，这种策略类似于异步电机的矢量控制方式，将同步旋转坐标系定向在电网电压矢量上，通过控制电流矢量与电网电压矢量同向，来实现PWM 整流器的单位功率因数运行。 本设计的程序流程中，把电机的状态分为四种状态，即系统空闲，系统启动，系统运行，系统停止。中断系统采用了EPWM中断和定时器中断，在这里不做赘述。下面只以主程序为例进行说明，流程如图9示：图9 系统主程序流程图系统创新本设计采用单DSP双PWM控制，以TMS320F28335为控制核心，其时钟频率高达150MHz，并且具备浮点运算单元（FPU），68K的RAM和512K的Flash，在运算速度和运算精度上满足了双PWM变频控制系统的需要，主要的创新点如下：（1）双PWM变频控制，实现交流调速的四象限运行和能量回馈，既提高了可靠性，也实现了节约能源；整流部分采用可控整流控制，实现了功率因数为1，提高了功率因数，达到了抑制了谐波污染的目标。（2）本文以TMS320F28335为核心，构建了一个三相双PWM系统实验平台，对实验平台进行了软硬件设计，和系统的全数字化实现，完成了一体化控制策略的研究。评测与结论为了对控制系统策略进行实验验证，搭建了如图所示的双PWM变频