基于DSP的异步电动机SVPWM变频调速系统的设计

1、第2期2009年2月工矿自动化IndustryandMineAutomationNo.2Feb.2009文章编号:1671-251X(2009)02-0019-04基于DSP的异步电动机SVPWM变频调速系统的设计谭国俊1,2,张旭隆1,2,曹言敬1,2,李广超1,2(1.中国矿业大学信电学院,2.江苏省电力传动与自动化工程技术研究中心,江苏徐州221008)摘要:文章分析了电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)的原理,设计了以DSP芯片为控制器的SVPWM变频调速系统,介绍了该系统的硬件构成和软件实现,建立了系统的仿真模型,并用Matlab/Simulink软件对该系统进行了仿真实验。仿真结果证

2、明,该系统启动快、超调小、,具有良好的静、动态性能。关键词:异步电动机;变频调速;仿真;SVPWM;中图分类号:TM343/921.51DesignRegulationSystemwithAsynchronousMotorBasedonDSPTAN2jun1,2,ZHANGXu2long1,2,CAOYan2jing1,2,LIGuang2chao1,2(1.SchoolofInformationandElectricalEngineeringofCUMT.,Xuzhou221008,China.2.ElectricalDrive&ControlEngineeringTechnolog

3、yResearchCenterofJiangsuProvince,Xuzhou221008,China)Abstract:Thepaperanalyzedprincipleofvoltagespacevectorpulsewidthmodulation(SVPWM),designedSVPWMfrequencyconversionspeedregulationsystemwhichtookDSPchipascontroller,introducedhardwarestructureofthesystemanditssoftwarerealization,builtupsimulationmod

4、elofthesystemandthendidsimulationtesttothesystemwithMatlab/Simulinksoftware.Thesimulationresultsconfirmedthatthesystemhadfaststarting,smallovershootandsmallsteady2statetorqueripple,aswellasgoodstaticanddynamicperformance.Keywords:asynchronousmotor,frequencyconversionspeedregulation,simulation,SVPWM,

5、DSP0引言现代交流变频调速系统以其优良的调速和启、制动性能广泛应用于工矿企业中。传统变频器所采用的正弦脉宽调制技术(SPWM)着眼于使变频器的输出电压正弦化,而未考虑输出电流波形,其开关频率高、开关损耗大、装置效率低。电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)从交流电动机的工作特点出发,将电动机与变频器看作一个整体,着眼于获得空间收稿日期:2008-09-17作者简介:谭国俊(1962-),男,贵州遵义人,博士,教授,博士生导师,1992年毕业于中国矿业大学,现主要从事电力电子与电气传动方面的研究工作,已发表文章七十余篇。E2mail:gjtancumt.圆形旋转磁场,从而产生恒定的电磁转矩1。SV

6、PWM比SPWM调制度高、开关模式简单、便于计算机实时控制2,可提高直流电源电压利用率15%,并具有转矩脉动小、噪声低等优点,获得了广泛应用。TMS320F2812是美国德州仪器公司(TI)推出的面向电动机全数字控制领域的高性能32位定点数字信号处理器(DSP)。该DSP具有150MIPS的高速处理速度和面向电动机控制的专用外围设备,模数转换和通信能力强、成本低、可靠性高,完全满足工业实时控制需要3。本文在详细分析SVPWM原理的基础上,选用DSP为主控芯片设计了异步电动机SVPWM变频调速系统。仿真结果表明,该变频调速系统启动快、超调小、稳态转矩脉动小、停车迅速,具有良好的静、动态性能。20

7、1电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理工矿自动化近交流电动机所需的圆形磁场。2009年2月以交流电动机为负载的三相对称系统,三相定子相电压分别加在定子三相绕组时,其方向在空间互差120°的各相绕组轴线上,大小随时间按正弦规律变化,定义3个定子电压空间矢量UAO、UBO、UCO,其合成的电压空间矢量Us:Us=UAO+UBO+UCO(1)图2基本电压空间矢量原理图同样定义定子电流和磁链空间矢量Is和s,得到空间矢量表示的定子电压方程式:(2)Us=RsIs+dt式中:Rs为定子电阻,忽略定子电阻压降,式(2)可化简为)Usdt,链幅值恒定,1转。故定义s=ej1t,ms的幅值,1即旋

8、转角速度。将s=me代入式(3)可推出:jtjtj1t+2(4)Us(me1)=j1me1=1medt由式(4)可知,以三相对称正弦电压供电时,s是一个幅值恒定、以电源角频率1恒速旋转的空间矢量1,因此,可通过控制电压空间矢量来得到电动机所需的圆形旋转磁链。逆变器的不同开关模式对应不同的基本电压空间矢量,交替使用不同的电压空间矢量就可以合成所需的圆形旋转磁链。电压源型三相逆变器主电路原理如图1所示。j1t以图2情况为例,新的矢量Vs位于基本矢量V4和V6构成的扇区内。在换相周期T0内,设处于V4工作状态的时间为t1,处于V6工作状态的时间为t2。由于t1、t2之和与T,采用零矢量V7和V8tV

9、s:Vs4+V6+V7(V8)T0T0T0(5),使V7和V8各占一半时间:t7=t8=(t0=T0-t1-t2)22(6)根据平行四边形法则和正弦定理可推出2个相邻矢量的作用时间1:(7)=-T0UdcUdc(8)=T0Udc实际系统中,为使电压波形对称,减小转矩脉动,将电压矢量的作用时间都一分为二,在满足最小开关损耗原则的前提下,利用电压空间矢量生成SVPWM波,获得逼近理想圆形的旋转磁场。2系统设计基于DSP的异步电动机SVPWM变频调速系统总体框图如图3所示。实际测得的三相定子电流经CLARK和PARK变换得到定子电流转矩分量iT和励磁分量iM。给定转速nref与反馈转速n通过PI调节

10、,得到定子电流转矩分量的给定iTref,iTref通过PI调节得到电压转矩控制分量UTref;定子电流励磁分量的给定iMref与iM通过PI调节,得到电压励磁控制分量UMref;UTref与UMref借助磁链估计推出的转子位置角,经PARK逆变换,得到U和U,这2个信号作为SVPWM模块的输入信号,控制三相逆变器工作。2.1系统硬件构成图1电压源型三相逆变器主电路原理图图1中,VT1VT6代表6个开关器件。逆变器采用上、下桥臂换流,上桥臂开关导通用“1”表示,下桥臂开关导通用“0”表示,则逆变器共有8种开关模式,对应于8个基本电压空间矢量,如图2所示。6个非零矢量V1(001)V6(110)空

11、间互差60°,每2个非零矢量之间构成一个扇区。零矢量V7(000)和V8(111)位于正六边形中心。通过8个基本矢量线性组合,可以获得更多的电压空间矢量来逼系统硬件结构如图4所示,包括主电路和控制2009年第2期谭国俊等:基于DSP的异步电动机SVPWM变频调速系统的设计21后执行一次,然后进入循环等待周期。主程序流程如图5所示。图3基于DSP的异步电动机SVPWM变频调速系统总体框图图5主程序流程图电路2个部分。主电路采用电压源型交-直-交变频器,其中逆变器选用IGBT模块,主体采用叠层式平板结构,以减小直流母线的杂散电感路还设有欠压、过压、过流、,及电路的正常运行DSP,算法3。

12、IGBT驱动与保护电路采用嵌入式光纤触发设计,具有故障自诊断功能。MCS196单片机作为人机交互接口,通过双口RAM与DSP进行数据交换。主电路的电压和电流采样信号经过A/D转换输入DSP,计算得到的SVPWM波由DSP的PWM口输出,经过整形、放大,控制三相逆变器开关器件的通断,从而实现异步电动机的变频调速。中断服务子程序。,包括串中断服务子程序和故障保串行中断子程序负责电动机参数及转速的给定;故障保护子程序负责系统保护,故障发生时,中断和封锁SVPWM输出;SVPWM中断服务子程序实现电流采样及PI控制、转速计算、坐标变换及生成SVPWM等功能,如图6所示。图6SVPWM中断服务子程序流程

13、图3仿真结果及分析基于Matlab/Simulink软件,对异步电动机SVPWM变频调速系统进行仿真试验,仿真参数:图4基于DSP的异步电动机SVPWM变频调速系统硬件结构图三相异步电动机、定子电压380V/50Hz、两对极、定子电阻Rs=0.435、定子电感Ls=0.071H、转子电阻Rr=0.816、转子电感Lr=0.071H、互感Lm=0.069H、转动惯量J=0.19kgm、给定转速22.2软件实现系统的软件设计包括主程序和中断服务子程序设计。主程序负责硬件和变量的初始化,对各个控制寄存器置初值。初始化模块仅在DSP上电复位为600r/min、给定负载转矩TL=60NM。通过仿真试验得

14、到的异步电动机启动调速、减速和制动过程的仿真波形分别如图7、图8、图9所示。22工矿自动化2009年2月(a)转速波形(b)输出转矩波形(c)定子电流波形图7异步电动机启动调速过程波形(a)转速波形(c)定子电流波形图8600400r/min的减速过程波形(a)转速波形(b)输出转矩波形(c)定子电流波形图9异步电动机由600r/min到转速为0的停车过程波形由图7可知,电动机由静止加速到给定转速,定子电流在启动过程中保持最大允许电流,电动机启动迅速、速度超调极小、稳态转矩脉动小。由图8可知,电动机在2s时接收到减速指令,由600r/min减速到400r/min,电动机减速过程迅速,在减速过程

15、中转矩输出负值以达到快速减速的目的。在速度减小到给定转速时,电磁转矩快速恢复到给定负载转矩,转矩响应快。图9中,电动机在2s时接收到停车指令,需要从给定的600r/min迅速实现停车。由仿真结果可知,系统停车速度快、输出转矩稳定,定子电流保持较好的正弦波形。4结语动小、停车速度快。该方案已在55kW异步电动机变频调速系统中得到应用,系统硬件结构简单、稳定可靠,减少了人工操作量,取得了良好的控制效果,满足工矿企业中异步电动机高性能交流调速的需要。但在系统调试中,PI调节器参数整定工作比较烦琐,因此PI参数的自整定和自动优化有待于进一步深入研究。参考文献:1陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京:机械工业出版社,2003.2李明,朱