基于DSP的交流电动机变频调速控制系统

摘要：本文介绍了一种基于DSP交流电动机VVVF控制系统设计方案，采用SVPWM控制策略，具有过调制功能，当母线电压波动时，能使PWM波形输出稳定，实验波形显示该系统具有较好的性能。

关键词：变频调速；数字信号处理器；交流电机

引言
　　
在许多应用场合，往往需要精确的速度控制，而传统的以单片机为核心的控制系统，由于本身运算能力不强，指令效率低，外围电路结构复杂，使得交流电机的复杂控制的应用受到了限制。TI公司于1997年推出的专用于电机控制的TMS320F24x的DSP处理器，集强大的运算能力与专用于电机控制的外设于一体，使这种需要成为了可能。本控制系统充分利用了DSP提供的各种功能，设计了结构简单的交流电动机VVVF控制系统，该系统用于驱动IGBT逆变器。本文重点对U/F曲线的选择、SVPWM的控制策略，母线电压波动时PWM输出波形的补偿以及软件构成作了重点讨论。在本文后面给出了实验波形，实验波形表明该系统具有较好的性能。

控制结构

本系统采用了VVVF的变频控制方法，具体的控制结构框图如图1所示。


U/F比的选择
(1)线性0:电机电压在0Hz到弱磁点的恒磁通范围内随频率线性变化，弱磁点对应的电机电压为额定电压，线性U/F比应用于近似于恒转矩场合的压降不可忽略，若实现恒转矩控制将对电压补偿，如图2中的虚线部分所示。

(2)平方性1:电机电压随频率的变化在0Hz到弱磁点的范围内按一条平方曲线，弱磁点以下是欠磁运行，产生的转矩和机电噪声都较小。U/F比可用于负载的转矩的需求正比于转速平方的场合，例如离心泵与风机。


SVPWM软件实现
在电机驱动中，广泛应用了PWM控制技术，PWM就是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成脉冲列，并通过控制脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压、变频及控制和消除谐波的目的。随着电气传动系统对其控制性能的要求不断提高，人们对PWM控制技术展开了深入研究:从最被追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通的正弦，PWM控制技术不断创新和完善，如本文中所用的空间电压矢量PWM(控制磁通正弦)就是一种优化的PWM方法，能明显减少逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低脉动转矩。由于其控制简单，数字化实现方便，目前已有替代传统SPWM的趋势。

在软件实现时，SVPWM波形的实时调制需要给定参考两相静止坐标系上的两个正交电压分量vSαref和vSβref，直流母线电压V_DC，以及PWM周期T。

(1)判断矢量vSref所处的扇区　通过分析vSαref/vSβref的值与vSαref和vSβref的关系，可得到如下规律:

则扇区SECTOR=A+2B+4C
SVPWM的空间矢量和扇区的划分以及第3扇区的空间矢量的合成如图3所示。

(2)计算逆变器相邻两个电压空间矢量工作导通时间T₁、T₂为了方便说明，定义中间变量X、Y、Z

在线性工作区对于不同扇区对应的工作周期T1、T2按表1取值:

在非线性区饱和情况下的计算:

其中PWMPRD为周期寄存器的值，在控制程序中该值为1000。

(3)计算三个所需的工作周期，表示如下:

根据扇区，把正确的工作周期(TX)分配给电机的正确相，也就是正确的CMPRX。下面的表2给出了确定方法。图4给出了第3扇区PWM开通模式以及CMPRX的取值。


母线电压检测与PWM输出的修正(或补偿)
本文采用对母线电压的检测来修正(或补偿)PWM的输出。在理想的情况下，逆变器的PWM输出可认为是随母线电压固定不变而保持稳定的，但实际的系统中，母线电压是随负载的变化而变化的，如果忽视了这种变化，逆变器的输出就会发生畸变，从而引入低次的谐波。如果PWM的占空比能根据母线电压的变化得到修正，那么逆变器的输出就不会受母线电压变化的影响。

下面以A相PWM为例介绍一种母线电压变化的校正方法。在理想的情况下，一个采样周期中定子A相电压值可表示为:

其中CMPRD为周期寄存器的值，在控制程序中该值为1000。

实际系统中，由于电容两端的电压有波动，一个采样周期中定子A相电压值可表示为:

式中V_{DC_new}为实际检测到的电容两端的电压值，T_{A_new}为一个PWM周期的IGBT的开通时间的一半，即CMPR1的修正值。A相电压的补偿值能根据上面两个方程由等式V_A=V_{A_actual}可计算校正值:


同理可得到校正B、C相电压的T_{B_new}、T_{C_new}。母线电压的采样用LEM电压传感器，LEM采用±15V直流供电，并使电压检测回路与主回路隔离。为了实现10kHz的开关频率，每100Ls需采样电压一次。为此PWM采用周期为10kHz的对称的PWM方式，在定时器1(专用PWM)的周期匹配时启动A/D转换。这样使CPU的干扰最少。

软件构成

基于TMS320F240的软件算法的流程图如图5所示。
本软件在实现电机的实时控制过程中只调用一次定时器下溢中断，中断周期为100μs。在中断服务程序中完成的功能包括:设置V/F曲线模式、电压信号采样、键盘扫描和全部的计算，在程序等待循环的时间内执行显示功能。


实验结果

本文中将控制器输出通过IGBT模块直接驱动电机。该电机为三相交流异步电机(380V，30kW)，定子线圈采用星型接法，并带一它励直流发电机110V，3kW作为负载，使用Tektronix记忆示波器TDS340A(100MHz)，1^..10的探头。DSP控制板输出PWM波形和滤波后的电压波形以及带负载测得的电流波形如图6所示。


结论

本系统基于TMS320F240实现对交流电机的变频调速控制，开关频率高，谐波分量少。在控制过程中每执行一次采样调用一次中断，在中断服务程序中完成信号采样、键盘扫描和全部的计算等任务，在程序等待循环的时间内执行显示功能，由于TMS320F240的指令周期为50ns，使得整个程序完成的时间不到40μs，这样大大提高了运算效率。与其它单片机，例如51系列，96系列等相比较，在实现SVPWM控制时，软件编写简单，每周期内中断次数少，实时性更好，而CPU的负担也不到40?，这样CPU可以有很大能力去完成其它的任务，实现更复杂、功能更全的控制。