基于DSP的SVPWM矢量控制数字化变频调速系统

1、 林立1972年10月生,1996年毕业于辽宁工程技术大学电气技术专业,学士学位,讲师。现为武汉大学电气工程学院电力电子与电力传动专业硕士研究生,从事电力电子与变频传动方向的研究。控制与保护基于DSP 的SVPWM 矢量控制数字化变频调速系统林立1,2,李晓静2,蒋云峰2(1.邵阳学院,湖南邵阳422004;2.武汉大学,湖北武汉430072摘要本文阐述了电压矢量脉宽调制和矢量控制的基本原理,并用DSP 实现了对调速系统的全数字化控制,实验结果表明该系统具有优良的动静态性能。关键词电压矢量脉宽调制矢量控制数字信号处理变频调速数字化Digital V ariable Frequency V ar

2、iable Speed System of SVPWM V ector Control B asedon DSPLin Li1,2,Li Xiaojing 2,Jiang Yunfeng2(1.Shaoyang University ;2.Wuhan University Abstract :This paper describes the fundamental principle of v oltage space vectorpulse width m odulation (S VPW M and field oriented control (FOC ,then the entire

3、dig 2ital control of variable speed has been procured by using DSP.The result of experiment shows this system has excellent dynamic and static performance.K ey w ords :S VPW M FOC DSP Variable frequency variable speed Digitiza 2tion1引言交流电动机是一个强耦合、多变量、非线性的时变系统,因此对交流电动机的调速控制比对直流电动机要复杂得多,为此许多专家对交流电机的调速

4、提出了不同的理论和控制方法。从逆变器的波形调制方式上看,有一般的PW M 调制、SP 2W M 调制和S VPW M 调制;从电动机的控制策略上看,有VVVF 控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。利用电力电子技术和数字信号处理技术,结合逆变器波形的调制方式和电动机的控制策略,我们实现了对异步电动机的全数字化控制。本系统利用电机控制专用芯片T MS320LF2407实现S VPW M 和FOC 的软件控制,采用IG BT 作为逆电路的开关器件,整个系统结构简单、实现方便。实验结果表明,本系统的硬件和软件设计合理,有优良的动态性能和静态性能。2SVPWM 矢量控制变频调速原理2.1SVPW

5、M 的基本原理电压矢量脉宽调制实际上对应于异步电动机中的三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合,这种开关触发顺序和组合将在定子线圈中产生三相互差120°的波形失真较小的正弦波电流,它的原理可以用图1、图2加以说明。在图1所示电路中,三相逆变器实际运行中只有6个有效电压矢量V 1V 6和2个零电压矢量V 0、V 7。因此,可以用V 0V 78个矢量的线性组合去等效旋转矢量V ref 所产生的实际电机气隙磁通轨迹来逼近圆形(如图2所示,定义三相交流电动机定子电压矢量为U s =V ref =23(U a +U b e j 23+U c e j 43 图1三相逆变

6、器和三相电机典型连接图 图2S VPW M 矢量、扇区和波形对于三相电压型逆变器供电的异步电动机,其定子电压矢量由逆变器开关S a 、S b 和S c 的状态所决定。U s =V ref (S a ,S b ,S c =23V DC (U a +U b e j 23+U c e j43忽略定子每相绕组电阻R s ,则电机的定子磁链矢量s =(U s -R s I s d t U s d t由上式分析可知,如果逆变器以6边形的磁链设计来控制电动机,将存在较大的脉动转矩,并影响其运行性能。因此,直接利用逆变器的6种工作开关状态,来控制s 的运行轨迹逼近圆。使电动机脉动转矩最小,运行性能最佳,这就是

7、电压矢量控制的基本原理。在利用T MS320LF2407DSP 实现时,首先确定两个相邻矢量U X 和U X +60(通过确定V ref 所在的扇区数就可以达到此要求,再根据S VPW M 的调制周期T 计算两个基本的电压矢量(V 1V 6中的两个和零矢量(V 0或V 7分别作用的时间T 1、T 2与T 0,然后将相应于U X 的写入ACTRX 的1412位中,并将0写入ACTRX 的15位中(0表示电压矢量正向旋转,最后将T 12的值写入到C MPR1或C MPR4寄存器,将(T 1+T 22的值写入到C MPR2或C MPR5寄存器。2.2矢量控制的基本原理矢量控制也叫磁场定向控制,它的基

8、本思路是模拟直流电机来控制,根据磁动势和功率不变的原则通过正交变换,将三相静止坐标变换成二相静止坐标(即3<2变换,然后通过旋转变换将两相静止坐标变成两相旋转坐标(即2d 2q变换,在a 2d 2q 变换下将定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量i d 1,i q 1(其中i d 1叫励磁电流分量,i q 1则转矩电流分量,并对其分别加以控制。控制i d 1就相当于控制磁通,而控制i q 1就相当于控制转矩。通过解耦,控制交流电动机和控制直流电动机一样方便,可以用图3来表示矢量控制的基本原理。由图3可知,系统包含转速外环和电流内环。速度外环通过光电编码器返回转子转速r 和d 2q

9、 旋转坐标旋转角度3;对于电流内环而言,通过霍尔电流传感器返回i a ,i b ,i c (-i c =i a +i b 经3d 2q 变换得到磁场定向电流分量i d 1,i q 1。i d 1,i q 1和i 3d 1、i 3q 1经过PI 调节,通过压流转换得到d 2q 坐标下的u 3q 1和u 3d 1,u 3q 1和u 3d 1经过d 2q 3变换得到u 3A ,u 3B ,u 3C 。通过S VPW M 来及时而准确地控制逆变器,以获得优良的控制性能。3系统的硬件实现本系统采用交直交电压型变频电路,主电路由整流电路、滤波电路及智能功率模块IPM 逆变电路构成,控制部分以DSP 芯片T

10、 MS320LF2407为核心,构成功能齐全的全数字矢量控制系统,系统结构如图4所示。从图4可以看出,本系统是一个有转速负反馈的闭环系统。系统参数由上位机通过RS485接口下传给下位机,DSP 负责采样各相电流、计算电机的转速和位置,最后运用矢量控制算法,得到电压矢量PW M 控制信号,经过光耦隔离电路后,驱动逆变器功率开关器件;同时DSP 还监控变频调速系统的运行状态,当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时,DSP 将封锁S VPW M 信号,使电机停机,并通过指示灯显示。 图3矢量控制原理图 图4系统结构图4系统的软件实现本系统的软件流程图如图5、图6所示,该系统软件由主程序和S VPW

11、 M 中断驱动程序两部分组成。主程序完成DSP 的初始化、参数设定和故障判断。S VPW M 中断驱动程序完成电流采样,3<d 2q 计算,压流PI 调节计算,压流变换计算,d 2 q 3<变换计算,电压矢量相角计算,电压矢量等效电压相角及交直轴分量计算,扇区计算,逆变器件作用时间T 1、T 2、T 0计算等。5实验结果与分析本实验使用笼型异步电动机的基本参数是:型号Y S 21,JW7134,额定功率0.7kW ,额定电流2.80A ,额定电压220V ,额定转速1450r min 。分负载与空载两种情况做实验,设定的频率分别为50H z ,15H z ,用数字示波器测量异步电机

12、定子的相电流,测量得到的相电流波形如图7图10所示;然后设定频率为30H z 时,对从空载到负载的相电流和转速进行观察,波形如图11、图12所示。从图7图10可以看出,在空载与负载的情况下,调速性能好,其相电流波形非常近正弦波,从图11、图12可以看出当电机的负载转矩突加图5主程序流程图图6S VPW M 中断驱动程序流程图然增时,电机的相电流和转速响应很快,稳态误差接近3%。由此可见系统有优良的动静态性能。从以上分析和实验结果表明:基于DSP 的S VPW M 矢量控制变频调速系统,结构简单、容易实现数字化。采用S VPW M技术的逆变器直流电压利用率比用SPW M高15%、定子相电流接近正

13、弦波、谐波成分小;采用矢量控制技术的电机调速系统动静态性能非常优良 。图7负载设定频率为50H z定子电流有效值为2. 5A图8空载设定频率为50H z图9空载设定频率为15H z图10负载设定频率为15H z定子电流有效值为1.6A冷却器专业生产厂家无锡市雪浪电力冷却器厂地址:江苏无锡市雪浪镇进溪桥电话:0510* 图11负载突变时相电流变化图设定频率为30H z图12负载突变时转速变化图设定频率为30H z参考文献1尔桂花,窦曰轩编著.运动控制系统.清华大学出版社,2002:215441.2虞东海,颜钢锋.基于DSP的变频调速矢量控制系统.电气传动,2003,VO L.33NO.4:2021.3刘和平,王维俊,江渝,邓力等编著.T MS3202LF240X DSP C语言开发应用.北京航空航天大学出版社,2003:317326.4Broeck H W V D,Skudelny H2C.