DSP在交流异步电动机变频调速中的应用

DSP在交流异步电动机变频调速中的应用技术分类：微处理器和DSP | 2010-11-08电子技术杨亮王鸣o引言目前，交流调速电传动已成为电调速传动的主流。 随着现代交流电机调速控制理论的发展和电力电子装置功能的完善，尤其是微机和大规模集成电路的发展，交流电机的调速取得了突破性的进展。恒压频率比(U/F=常数)的控制方式为转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载为通用的标准异步电动机，通用性强，经济性好，是目前广泛应用于通用变频产品的控制方式，广泛应用于风扇、泵类调速系统电压空间矢量法(SVPWM )也称为“交链磁通追踪控制”，与典型的SPWM控制相比，着眼于输出电压尽可能接近正弦波，这是着眼于从电动机的角度得到振幅恒定的圆形旋转磁场的方法。本系统设计了以TMS320LF2407A为中央处理器的硬件平台，采用SVPWM控制方法在交流电机上实现了恒压频率比控制。 在此基础上给出了变频调速控制系统的软件设计。一空间电压矢量PWM原理理论分析表明，三相对称正弦波电压产生振幅一定、以一定转速旋转的电压空间矢量，该电压空间矢量加在电机上产生振幅一定、以一定转速旋转的定子交链磁通矢量，定子交链磁通矢量顶点的运动轨迹形成圆形空间旋转磁场。 因此，电机旋转磁场的轨迹问题可以转换为电压空间矢量的运动轨迹问题。SVPWM法着眼于从电机的观点出发，将变频器和交流电机视为一体，向电机施加振幅恒定的圆形旋转磁场的方法。1.1基本电压空间矢量图1是共用的电压型PWM逆变器电路。图中的V0-V5是6个功率开关管，a、b、c分别表示3个臂的开关状态。 每个臂有“上管导通、下管切断”和“1”状态、“下管导通、上管切断”和“0”状态两种动作状态。 由于三个臂只有“1”或“0”的状态，因此a、b、c形成000、001、010、011、100、101、110、111共计8个开关模式。 000和111的开关模式被称为零状态。8个开关模式分别对应于8种基本电压矢量。 根据相位角的特征，将其命名为O000、U0、U60、U120、u80、U240、U300、O111。 如图2所示，使用六个有效行为向量将电压向量空间划分为六个对称扇区1.2电压空间矢量的合成在每个有效动作矢量每周期只作用一次的方式中，只能生成正六边形的旋转磁场，如果设法在定子上形成正多边形的旋转磁场，则可以得到近似的圆形旋转磁场。 另外，正多边形的边越多，近似度越好。但是，要想得到尽可能多的多边形旋转磁场，就需要更多的逆变器开关状态。 我们能够利用6个非零基本电压空间矢量的线性时间组合来获得更多的切换状态，这是电压空间矢量PWM的基本思想。当电压向量空间的6个扇区中、所希望的输出电压向量进入某一扇区时，在该扇区的2边等价地合成所希望的输出向量。在图3中，Ux和Ux60为表示相邻的两个基本电压空间矢量的Uout或输出的基准相位电压矢量，其振幅表示相位电压的振幅，其旋转角速度为输出正弦电压的角频率。 Uout可以通过Ux和Uxvi60的线性时间的组合来合成，并且等于t1/Tpwm倍的Ux和t2/Tpwm倍的Uxvi60的向量和。 在此，t1和t2分别是Ux和Ux60和作用的时间即Tpwm是Uout工作的时间。根据所希望的输出电压矢量的振幅和位置，决定相邻的两个基本电压矢量及其作用时间的长度，求出零矢量的作用时间的大小。基于DSP的变频调速系统硬件电路设计所设计的系统以TMS320LF2407A为核心控制器，电路结构包括主电路、系统保护电路和控制电路三大部分，其总体设计图如图4所示。其中，主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变器电路借助IPM驱动电路构成。 主电路的工作原理是，通过三相桥式整流电路将三相交流电源转换为脉动的直流电压，使之成为大容量c且平滑稳定的直流电压。 并且，通过IPM逆变器电路将该直流电压变换为频率、电压都可调整的交流电，形成PWM波并提供给负载马达。系统保护电路包括泵的升压电压控制、过电压、欠电压保护、限流起动和IPM故障保护等。 过电压、欠电压保护利用电阻分压收集母线电压，与规定值进行比较，保证电压型逆变器母线电压稳定的限流启动是为了防止主电路打开瞬间的大电流破坏整流电路的二极管，在主电路上串联连接限流电阻r，在电容器电压达到规定值时，通过继电器使r短路控制电路包括DSP最小系统电路、光耦合分离电路等。 这是为了最小系统由DSP自身和外置的数据SRAM、程序SRAM、复位电路、晶体振子、解码电路、电源变换电路构成，光耦合分离电路将DSP输出的弱电信号与主电路的强电信号可靠地分离。基于DSP的变频调速系统软件设计TMS320LF2407A DSP的最大特征是集成了强大的事件管理器模块。 EM模块内置有用于尽可能简化对称空间矢量PWM波形的生成的硬件电路。一个电压空间向量PWM波形的生成对于零向量的使用是灵活的。 通常，以开关损失小时高次谐波分量小为原则，配置基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使PWM输出波形对称而减少高次谐波分量。本文最常用的是7段式的电压空间矢量PWM波形，它由3段零矢量和4段相邻的两个零矢量构成，将零矢量分别置于PWM波的开始、中间、结束。在该程序中，假设调制波的频率f从外部输入，以f/50 Hz变换为频率调整比的形式。 程序中的载波频率和采样频率都是20MH-z。 可实现调制波频率O50Hz的频率转换功能、死区功能。 死区时间1.6s。 DSP晶体振荡器为10MHz，内部倍频，时钟频率为20MHz，计数周期为50ns。3.1主程序设计主程序的动作在初始化中，将外部输入的频率调整比转换为角频率。 根据U/F曲线确定基准电压的振幅。3.2中断子程序的设计中断子程序的动作是在每PWM周期，计算下一个PWM周期的3个比较寄存器的比较值，并读入比较寄存器。 三相SVPWM波从DSP的PWM16端子输出。4实验结果根据以上软件、硬件设计，构成变频器对交流异步电动机进行变频调速。 受试者为笼式异步电动机，其参数为型号： JO-11-2、额定功率1kW、额定电压380V、额定电流： 2.31A