专业组_先进控制_浙江大学_空间矢量异步电机变频器

1、DSP芯片原理与开发学 院：电子与控制工程学院专 业：控制理论与控制工程姓 名：朱进玉学 号：2014132003指导教师：周熙炜完成时间：2015年7月3日二一五年七月空间矢量优化算法控制的异步电机变频调速器1. 引言由于地下水位下降，农村和山区的水井需要打得更深才能打到水。一般的水泵的抽水深度只有五到六米，遇到深井就力不从心。水的初速等于叶片转速，设为v，根据自由落体定理，水的上升高度为0.5*v2/g，可以得出水上升高度和速度平方成正比。叶片速度正比于电机转速和叶片半径的乘积，想要提高叶片速度可以通过增大叶轮半径或者增加电机转速实现。但是叶片半径受到水井直径的限制无法增加，所能改变的只有

2、电机转速。如果电机转速增加一倍，抽水深度就变为原来的四倍，深水井抽水的问题就可以解决了。由于异步电机的转速为同步转速×(1转差率)，所以电机转速小于同步转速。同步转速由频率决定：n0=60f/p。因此在工频电下，两极电机转速小于3000转，四极电机小于1500转。再想增加电机转速只能通过使用变频器发出高于工频的三相电驱动电机。由于打井的位置常常远离输电线路，一般水泵的供电线路有5001000m长，线路的压降很大，据测算电机的端电压往往只有150V。于是电机的正常启动变得困难。因此需要设计一款能够适用于恶劣电网环境，可以在低电压条件下启动的电机变频调速器。2. 系统方案2.1 性能指标

3、所选异步电动机的主要性能参数：三相2极鼠笼异步电机，额定功率1.1KW，额定线电压220V，额定频率50Hz，最大频率110Hz。根据所要驱动电机的要求，本着发挥硬件最深潜力，又要以实用为主的原则，为变频器定下如下性能指标：额定电源电压额定电源频率额定功率过负荷能力输入电压范围输出频率范围输出频率变化精度1PH*220V50Hz3KW150% 30秒90230V0200Hz1Hz开关频率频率变化速度再生制动力矩控制方式1控制方式2PWM方式<=10KHz2Hz/s20%恒V/F比恒功率控制空间矢量2.2 总体介绍本设计以稳定，高效，智能化为设计目标，在高稳定性硬件设计的基础上，极力发挥F

4、2812的运算机能和控制能力。本系统由四个主要模块组成， 1、上位机控制软件，实现人机交互功能。 2、处理芯片TMS320F2812，即主控制器。 3、智能功率模块IPM。 4、三相异步电动机。各模块之间的关系见下图。上位机使用RS-232串口将配置参数和运行方式发送给DSP，DSP产生SVPWM开关信号，控制智能功率模块IPM。IPM将整流得到的直流电压逆变为三相空间矢量电压，加载在三相异步电机上，控制电机转动。同时，DSP上的ADC模块将时刻监测直流电压和电流，经过程序运算，组成过欠压和过流保护模块。使用GPIO输入引脚测量三相反电动势，经过运算测量电机转速，组成速度闭环。（图1 系统整体

5、方案）2.3 SVPWM空间矢量算法SVPWM的基本原理是空间伏秒平衡原理。由于异步电机的三个开关量只能够组成8种离散状态，引入“单位时间内平均空间矢量电压”的概念，通过组合这8种矢量，合成一个在空间内以一定速度、一定幅值旋转的矢量调制波形。设Uu、Uv、Uw为异步电机三相a、b、c的电压空间矢量，则如图1 图2 图3有 Uout = 由八种开关状态构成空间矢量图，即图2。其中U000和U111为零矢量。空间矢量表这里省略。根据伏秒平衡原理，得到其中Uref 为希望得到的电压矢量；T是采样周期；Tx、Ty、T0分别是两个非零电压矢量 Ux、Uy 和零电压矢量 U 0在一个采样周期的作用时间；其

6、中U0可以是U000或者U111 。本设计采用七段式SVPWM，如下面左图 图4 图5由右图可以根据伏秒平衡原理，推导出在一个时间周期内，相邻两个空间电压矢量为合成期望的电压矢量所分别作用的时间。U1 = 式中, Uav为期望的电压矢量; U1和U2为两个相邻的空间电压矢量,幅值上U1 = 。由此可得sin () T t1 = sin (60°-)T ，t2 = 在空间坐标系中，每隔60°划分一个扇区，从0°到360°分别为1、2、3、4、5、6扇区。经过电压合成公式推导，得到这六个扇区的时间占空比公式：扇区1：， 扇区2：， 扇区3：， 扇区4：， 扇

7、区5：， 扇区6：， 其中T = Ta * Uav / Ud，Ta为PWM计数周期，Uav为期望的空间矢量电压长度，Ud为直流电压。而由这六个扇区的占空比公式，就可以得到六路PWM波的具体占空比了。例如在扇区1，将尾标有两个1的t认为是t1，尾标有一个1的认为是t2，则a、b、c三相PWM的具体占空比为Ta = t0 + t1 + t2；Tb = t0 + t1；Tc = t02.4 智能变频算法为了使异步电机能够不需要手动变频地达到一个最快的运行速度，发挥电机的安全稳定极限功率，提出了一个基于恒转矩控制恒功率控制的智能变频算法。在这个算法中，输入量是当前发出的SVPWM频率，三相电压电流值，

8、电机转速等，输出量是更新后的目标频率和目标调制度。在恒转矩控制中，根据交流异步电机定子感应电动势公式：，为保证磁通恒定，等速增加SVPWM频率，同时等比增加调制度。当SVPWM的频率值达到恒转矩控制恒功率控制的拐点时，进入恒功率控制模式。在该模式中重点监测转速随频率增加的速度（即转速变化率），滑差系数和三相电流值。这三个参数经过逻辑运算后，超过设定的阈值，或者严重超过阈值时，变频器将停止增加SVPWM频率或者降低频率。3. 系统硬件设计设计的异步电机变频调速系统主要由TMS320F2812控制芯片IPM,智能模块，整流桥，稳压电容，光耦芯片，电机组成。（图6 硬件电路结构图 ）3.1 主要元器

9、件选择3.1.1DSP选择本电机调速系统采用TMS320F2812作为控制芯片，该芯片支持浮点运算，EPWM单元，12位精度AD，SCI模块，符合系统需求。同时价格比较低，有利于控制成本。TMS320F2812芯片具有浮点运算单元，在需要浮点数运算的时候可以大大增加效率。电机的高性能控制方法如矢量控制都需要大量的浮点计算。对于定点DSP必须采用很多技巧来回避浮点运算，但仍然力不从心，而且容易出错。具有浮点功能的这款芯片可以轻松地实现各种复杂算法，提高整个系统的性能。3.1.2智能功率模块的选择设计的电机调速系统功率为3KW，适用电网电压为110250V。估算IPM的额定电流应大于3000/22

10、0=13.6A。考虑到工作时的电流裕量应选择额定电流为20A的IPM。载波频率越高，谐波次数越高。由于电机绕组类似于电感，谐波次数越高，谐波电流越小。因此越高的载波频率越有利于减少谐波电流，使电机运行更加平稳，噪音更小。设计的载波频率为10KHz，因此应该选择最大频率大于10KHz的IPM。死区会导致电流波形恶化，谐波增加，所以越小越好，但很小的死区会导致成本增加。平衡成本和质量，死区应该小于等于2微秒。根据以上要求，对比了FSBB20CH60B，PS21964，SCM1110MF等几款智能功率模块，最终选择了FDBB20CH60B。他的性能指标如下：IPM适应电网电压额定电流最大载波频率死区

11、时间FSBB20CH60B10025020A20KHz2微秒此外这款功率模块还具有内置自举电路，只需要一个15V电源供电。简化了电路设计。3.1.3光耦芯片选择虽然中小功率智能模块的PWM信号可直接有DSP提供，但是为了稳定起见，采用了光耦芯片将IPM和DSP隔离。常用的低成本光耦芯片有TLP-521和6N137。由于使用光耦隔离的是PWM信号，频率为10KHz，同时为了保证控制的实时性，应选择上升下降时间小，速度快的高速光耦芯片。由此选择了6N137。在测试情况下为15ns，而TLP-521为15微秒左右。由于6N137光电管的驱动电流为7.5mA，超过了2812GPIO的驱动能力正负4mA

12、，因此选用74lvc07驱动6N137。74LVC07的延时为2.2ns，符合对低延时的要求。3.2 硬件电路设计3.2.1 上位机和按键与显示（图7 上位机控制和矩阵键盘+数码管控制）本异步电机变频调速器采用了两种控制方式，一种是实验室配置模式即使用电脑上位机进行控制，另一种是产品控制方式即使用矩阵键盘+数码管控制。电脑上位机与2812最小系统板的连接采用SCI通讯。最小系统板的SCI信号SCIRXDA和SCITXDA经MAX232芯片处理后通过串口线与电脑的串口连接。由于笔记本电脑没有串口，可以使用USB转串口模块。此外还寻找到一种采用PL2303的模块，可以将SCI信号转换为USB信号，

13、直接使用笔记本上的USB与单片机连接，大大方便了使用。数码管和矩阵键盘使用了单片机的GPIO引脚。为节约引脚，采用了MAX7219芯片驱动4位7段数码管。它只需要3根信号线，且具有锁存功能，大大减少了单片机显示所需工作时间，降低了编程难度。3.2.2 单片机最小系统板与驱动板的连接驱动板主要由IPM智能模块，整流桥，稳压电容，光耦芯片组成，单片机的信号通过排线与驱动板连接，这里简单介绍一下信号线的内容。（图8 驱动板连接排线）左半部分为单片机的信号输出：UH0、UL0、VH0、VL0、WH0、WL0为PWM波信号线。RELAY0为继电器控制信号。LED1LED3为信号灯。右半部分为单片机的信号

14、输入：FAULT0为智能功率模块的故障信号经74HC14电平转换出的3.3V信号。IDC0和UDC0分别为直流母线电流信号和直流母线电压信号，都经过驱动板上的运放隔离放大。PWMU、PWMV、PWMW为电压比较器处理的反电势信号，为数字量，用于检测电机转速。SC为IPM短路保护输入，IDC2时直流母线电流经运放放大的信号，放大倍数可调。在需要使用IPM短路保护功能时可以将SC和IDC2短接。3.2.3 驱动板设计（图9 驱动板原理图）6n137光耦隔离芯片内部有发光二极管和感光元件构成。当发光二极管点亮时感光元件导通输出低电平，反之由上拉电阻上拉输出5V。由于驱动发光二极管电流要7.5mA，超

15、过GPIO最大电流4mA，因此需要一个驱动芯片。74LVC07芯片集成了6个集电极开路的三态缓冲器。当输出低电平时灌电流可达50mA，满足驱动6n137需求，而输出高阻态时虽然不是高电平，却依然可以达到使发光二极管不发光的效果。从而使用74LVC07和6n137实现了将单片机和功率模块隔离的功能。220V交流电源经桥式整流芯片3504整流后为300V脉动的直流。使用两个450V耐压470uF的电容进行稳压，输出直流母线。为了在上电瞬间保护稳压电容，所以在电容前串接功率电阻，而在母线电压上升到工作值时，使用继电器短接功率电阻，节约电能。这一点是通过单片机检测直流母线电压，向继电器发出信号实现的。

16、由于继电器需要12V，75mA的驱动信号，所以采用IRF7805mosfet对单片机信号进行放大。（图10 LMV324运放）直流母线电压和电流的模拟信号需要运放进行隔离和放大。考虑到TMS320F2812是一个3.3V的单片机，GPIO只能接受03.3V的信号。于是选择了低压差的运放LMV324，使用3.3V的电源电压，这样运放的输出电压为03.0V，对单片机永远是安全的。运放使用了标准的电压放大器接法。在输入端使用了Ds15和DS16两个肖基特二极管对输入信号限幅。同时用一个0.01uF的旁路电容C87。4. 系统软件设计在系统软件设计中，主要分为上位机（PC）软件设计和下位机（DSP）程

17、序设计。上位机的监控软件使用C+编写，采用开源Qt By Nokia v4.7.3库，拥有柔和的界面，直观的波形输出功能，和全面的控制能力；下位机程序和上位机通过USB转232串口连接，具有双向通讯功能。下位机程序设计包括具有热启动热配置功能的系统主框架设计；通过对由SCI发来的数据包解码从而可重复初始化的，初始化模块程序设计；全部模块化封装的算法实现部分；全局宏定义和全局参数组设计。本文将详细介绍主框架流程、SVPWM算法流程、SCI热配置流程和智能变频模块流程。由于异步电机无传感器测速尚在算法研究阶段，本文只在前面介绍其基本思想。其余的模块非主要模块，代码中有详细注解，此处省略。对与上位机

18、，其结构符合Qt程序规范，由于代码量较大，而且只起到辅助实验功能，所以这里只介绍其功能、用法与特点。注：上位机软件可在winXP、winVista、win7系统下运行，需要在运行前装载vs最小运行库。4.1 下位机程序设计 下位机程序各模块的联系如下图。初始化模块包含三部分，一部分是系统刚开始运行就立即执行，包括系统初始化、GPIO初始化、SCI初始化和CPUTimer0的初始化；一部分是在SCI配置过程中的初始化，包括ADC初始化和EPWM初始化；除此以外PIE中断向量的初始化在系统启动时和SCI配置时都要进行。算法模块包括SVPWM演算、智能变频、智能调压、无传感器转速计算。功能模块包括一

19、些功能函数（如各种延时函数）、串口通信借口、过压过流保护、异步电机失速保护、全局宏定义、全局结构体（参数组）定义等。 （图11 DSP程序模块关系总览）4.1.1 主框架流程图系统的主框架如下图所示。程序启动后开始系统初始化，然后进入主循环，但此时EPWM和ADC模块都是闭锁状态，电动机并不会运行。如果dsp芯片已经通过USB转232串口连接好电脑，那么可以打开ExMainWindow.exe，设置好串口参数（波特率9600，校验位NONE，数据位8，停止位1），打开串口，设置好配置参数（初始频率值，设定频率值，是否反馈，正转/反转），单击“配置下发”键。此时SCI中断程序将根据不同的包头标志

20、解包，将参数配置进全局参数组，此时EPWM初始化，ADC根据指令决定是否初始化，系统进入等待运行的状态。如果这时点击“开机”，EPWM的TBCLK将开启，电机启动。（图12 主框架流程图）4.1.2 SVPWM算法流程图SVPWM算法流程如下图。SVPWM占空比计算为典型的实时算法，需要放在中断函数中进行，其效率较低，但其刷新频率而又很高，所以需要尽量减少计算量。（图13 EPWM中断流程）4.1.3 SCI热配置流程SCI热配置在本程序中是一大特点。其流程如上图。SCI参数配置模式只有在电机真正停转的时候才会有效，表现为只有在全局参数trueStop = true时，解码模块才会接受参数配置

21、包。在该中断函数中，如果进入配置模式，程序会对全局参数组进行配置，或者对其他外设进行初始化；如果进入运行模式，程序仅会对允许修改的参数进行更新。（图14 SCI热配置流程图）4.1.4 智能变频模块流程智能变频模块的设计方案，完全是针对本文引言中所提到的情况。偏远缺水地区地下水位很低，电动机的转速将决定井泵的实际扬程；但越偏远的地区，他拉过去的电压越低。希望电动机在使用时能够达到环境允许的安全稳定极限转速，但是在本来就欠压的环境下，单纯提高同步磁场的转速有可能会导致转矩无法维持从而电动机失速，滑差系数瞬间变大，电流陡增，严重时会烧坏电动机和变频器等附属设备。设计该模块，就是为了使电动机在恒定负

22、载的情况下，能够安全地加速到极限功率。该变频模块的控制手段属于经过改进的恒转矩控制恒功率控制，恒转矩启动控制较为常见，这里省略；恒功率控制，会在监控电动机各项参数的情况下，逐步加快电机运行速度。如下图，每增加1Hz频率，将会面对三个分支选择：1）继续增加频率，2）停止增加频率，3）减小频率。判断的方法是对滑差系数、转速变化率、三相电流值的进行数值运算，然后将其和自动生成的阈值进行逻辑比较，以此决定下一变频周期的目标频率值。特点：无需手动调试，达到安全稳定极限转速。（图15 智能变频流程）4.2 上位机软件设计上位机软件的主要功能是控制和监测电动机的运行。特点：1、在软件中，一切向下位机输出的指

23、令，都是自动生成的，有效地防止了发送端误码的产生。2、 在软件中，未被允许的操作按钮都是灰色不可点击的（Disabled状态），这种性质和下位机的纠错功能一起，有效断绝了误操作的影响。3、 软件中有三个波形监控窗口，分别是电压波形、电流波形、频率转速波形，它所监控的都是最大值或有效值，可以直观的看出电机运行状态的变化。（图16 上位机界面）5. 系统创新系统的创新点在上文中均有提到，这里简要复述一遍。1、采用异步电机无传感器测速方法，节省了昂贵的测速装置，也使变频器更加通用，运行稳定性更高。2、具有热启动、热关机、热配置的功能，在SCI中断程序中对其他外设初始化和去初始化，无需频繁启停DSP。

24、3、无级调频，当前频率到目标频率的变化缓慢，不会发生频率跳变。4、将算法区分为实时算法和非实时算法，合理使用运算单元。5、可以闭环运行，但在没有ADC采样接口的功率板上也可以完全开环运行。6. 评测与结论变频器是向需要进行调速的三相交流异步电动机提供频率与电压均可变的电源设备，因此变频器的性能指标应能满足电动机的调速要求。在评测中所使用的电动机就是2.1性能指标中所介绍的深井水泵用异步电动机，在进行性能测试的时候，由于本变频器正处于实验品开发阶段，现阶段只做了空载测试，还未做负载测试和极限参数测试。和变频器最初设计时的目标参数相比，现在已经有一些参数达到了要求。可以在50V低压时启动目标电动机，变频范围远超0200Hz，500Hz时输出波形完全没有畸变。考虑实际应用，我们在频率输出上还是做了数值限制，即最大200Hz。同样考虑到实用因素，输出频率精度和频率变化速度完全按照实际指标定做，分别为1Hz和2Hz/s。在控制方式上，现阶段已完全采用SVPWM输出，恒转矩控制到恒功率控制无缝衔接。当前状况下，我们分别选用了50V，150V，220V三种电压规格做空载测试，开关频率2KHz，PWM死区时间2.5us