基于DSP的三相SVPWM变频调速系统的设计

1、课程设计用纸i教师批阅:基于 DSP 的三相 SVPWM 变频调速系统的设计摘要根据电压矢量的基本原理，利用TMS320LF2407A，对电流采 样、速度检测、驱动保护以及控制系统进行软件设计。 设计出基于DSP控制系统的SVPWM的变频调速系统控制器。使得逆变电源 的智能化程度更高，性能更加完美。关键词：DSP SVPWM变频调速系统课程设计用纸2第2章SVPWM基本原理2.1电压空间矢量脉宽调制法（SVPWM）.32.2电压空间矢量技术的基本原理.42.2.1三相逆变器输出电压的矢量表示 .42.2.2磁链轨迹的控制.62.3 SVPWM波的生成.7第3章系统方案及硬件设计 .93.1系统

2、方案.3.2主电路设计.3.3 PWM驱动电路3.4故障保护电路.3.5键盘和液晶.第4章 系统软件设计 .第5章设计总结.参考文献.16附录 程序清单 .17第1章设计目.错误！未定义书签教师批阅:错误！未定义书签。.9课程设计用纸1第 1 章方案设计及论证1.1系统方案异步电机变频调速系统框图如图1-1所示。系统主要由主电路 模块和控制模块两部分组成。主电路采用交-直-交电压型逆变电 路，主要由整流电路、滤波电路及智能功率逆变电路组成， 逆变电 路则由IPM模块来完成。控制电路以DSP为核心，完成SVPWM算法，实现人机交互功能，同时，DSP还监控整个系统的运行状态，当系统出现故障时，DS

3、P封锁PWM输出信号，防止发生故障 而烧坏器件，确保系统的安全运行。图 1-1 系统框图教师批阅:7r- 册;13阴眯QEPAD光辐隔离电跨课程设计用纸21.2方案论证本系统采用TMS320LF2407A，它是TI公司专为工业控制和 电机控制推出的系列产品。这款DSP将实时处理能力和控制器的 外设功能集于一身。有如下特性：灵活的指令系统；高速的运算能 力；大容量的存储能力；有效的性能价格比。主要应用领域包括： 工业电机驱动；逆变电源；功率转换器和控制器；汽车系统；仪表 和压缩机电机控制；机器人和计算机数字控制机械。TMS320LF2407A具有2个事件管理器；32位中央算术逻辑单 元；32位累

4、加器；16位X16位乘法器；3个比例移位器；间接寻 址用的8个16位辅助寄存器和辅助算术单元；4级流水线操作；8级硬件操作；6个可屏蔽中断；544字的片内DARAM和2K字的 片内SARAM；32K字片内FLASH程序存储器；64K程序存储空 间；35.5K数据存储空间；1/0空间64K。此外还有功能强大的外设： 串行通信接口SCI;串行外围接口SPI；CAN总线控制器；事件 管理器EV；A/D转换器；看门狗WD。TMS320LF2407A芯片是通过3条总线实施指令读取、泽码、 取操作数、执行指令等操作。TMS320LF2407A中有两个事件管理器EVA和EVB，它们都 有一特殊硬件一SVPW

5、M状态机器件。 因此2407A具有两个SVPWM状态机。本系统采用EVA， 利用2407A内部自带的SVPWM状态机生 成波形。教师批阅:课程设计用纸3教师批阅:第 2 章 SVPWh 基本原理2.1电压空间矢量脉宽调制法(SVPWM)随着电力电子器件和微电子技术的迅速发展， 以及高性能控制 方法在交流调速系统中的应用，交流调速系统的发展非常迅速。特 别是采用了专为电机控制开发的数字信号处理器DSP为核心的全数字化控制系统，为高性能的控制方法提供了可靠的硬件环境。这 种DSP集中了电动机控制所必须的可增加死区和灵活多变的多路PWM信号发生器，高速高精度ADC,以及用于电机速度和位置反 馈的编码

6、器接口等电路。目前国内外应用于工业生产领域的变频 器，很多都把DSP作为控制核心，充分利用其高速运算能力和强 大的控制功能以实现高性能的变频控制。电压空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)为交流电机的一种控制 方法，电压空间矢量PWM方法和普通的正弦PWM方法不同，它 是从电机的角度出发，把电机和逆变器看作一个整体考虑，不简单 从得到电压电流正弦出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形 旋转磁场，即正弦磁通。其以三相对称正弦波电压供电时交流电机 的理想磁通圆轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际 磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状 态，形成PWM波形。这种控制方法称

7、作“磁链跟踪控制”，磁链 轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM(space vector PWM, SVPWM)控制”。SVPWM较之于SPWM , SVPWM在输出电压或电机线圈的电 流都将产生更少的谐波，提高了对电压源逆变器直流供电电源的利 用率。提高了电压型逆变器的电压利用率和电动机的动态响应性 能，同时减少了电动机的转矩脉动，简单的矢量模式切换更易于数课程设计用纸4字化实现。由于该控制方法把逆变器和异步电机看作一个整体来处理，所用到的数学模型和数字算法均很简单， 便于微处理器实时控制，且 具有转矩脉动小，噪声低、直流电压利用率高、开关频率低的优

8、点， 因此目前无论在开环调速系统或闭环调速系统中均得到广泛的应 用。2.2电压空间矢量技术的基本原理2.2.1三相逆变器输出电压的矢量表示图2-1所示电路为三相逆变器供电给异步电动机的原理图。图中有6个功率开关管，当当上桥臂开关管处于“开”状态，下桥臂开关管处于“关”状态时，则用“1”表示；当下桥臂开关管处 于“开”状态，上桥臂开关管处于“关”状态时，则用“0”表示。 三个桥臂共有000、001、010、011、100、101、110、111八种开 关模式，其中000、111开关模式使逆变器输出电压为零，称这两 种开关模式为零状态。只要控制这些基本空间矢量的组合，同时再 将零矢量合理分配，就能

9、使瞬态输出空间电压矢量按一定的圆形轨 迹旋转。电压源逆变器可由图2-2所示的6个开关来等效表示。如图2-2所示，当上桥臂开通、下桥臂关断时，即Sa=1时，U =U?2；当教师批阅:图 2-1 三相逆变器主电路课程设计用纸5ViTiVmTmVoTo 二VoutTpwmToTiTmpwm矢量分别投影到横、纵坐标轴，得(2.2)(2.3)(2.4)式中：=ej2：/3通过不同的矢量组合可以合成新矢量，设相邻两个有效矢量Vi和Vm，零矢量为Vo,合成新矢量Vout，矢量作用时间分别是Ti、Tm、Too Tpwm是PWM脉宽周期。合成新矢量的表达式为上桥臂关断、下桥臂开通时，即Sa=0时，U二教师批阅:

10、同。逆变器的8种开关模式对应有8个电压空间矢量。标变换，将二相电压变换到d-q轴系。V Sa Sb Sc2CtU 】V(2.1)。Sc亦图 2-1 逆变器等效图课程设计用纸62.2.2磁链轨迹的控制逆变器按照所示电压依次输出给电动机供电， 则电动机定子磁 链矢端的运动轨迹将是一个正六边形，而不是所希望的圆形磁场， 电动机电流波形将会出现较大的尖峰。从而改善点击电流波形和提 高电力电子半导体器件的实用效率的角度考虑， 可以适当提高开关 频率，这样可以利用空间矢量的线性持续时间组合使产生的磁链轨TpwmSin :教师批阅:整理可得SVPW的基本公式为=争TpwmsinUdcJI、 otTm=Uou

11、tTpwmSinUdc(2.5)(2.6)(2.7)课程设计用纸7迹逼近圆形。若逆变器的采样周期为T，则有：T= tit2t3（2.8）其中t1,t2为某两个非零空间电压矢量在采样周期内作用的时 间，to为零矢量作用的时间。由积分近似公式有：V*T 7帚Vt2(2.9)图 2-2 基本空间电压矢量课程设计用纸8* *V为正弦电压设定值，V T为在第k个采样周期的磁链设定值的增量，v1t1和v2t2为电压矢量V和V2分别在各自的作 用时间里所产生的磁链增量。由正弦定理得:V*T= Vti =V2t2sin 120sinsin( 60一)由此可推证:*d式10中a为调制比；丫为V与V2之间的夹角。

12、只要调整tt2、t0的作用时间，就可以达到变频调速的目的。此外，为了使 磁链的运动速度平滑，零矢量不是集中加入，而是将零矢量平均分 成几份，多点地插入到磁链轨迹中，但作用时间和仍为t，这样就可以减少电动机的转矩的脉动。V*T2V1t1YV2七2图 2-3 空间矢量的线性合成2.3 SVPWM波的生成只要给定输出频率、输出线电压、直流母线电压后，就可以生 成SVPWM，步骤如下。1.连续不断地合成新的矢量，就能令电机产生圆形的磁场。教师批阅:(2.10)tisinsinvT60tisin( 60-sin 60(2.11)课程设计用纸9新矢量的角度递增关系为- Tpwm(2.12)式中：角频率.=

13、2二/f,f是输出频率。2.根据角度a落在6个不同区间，选择不同的有效矢量Vi和Vmo。3.有效矢量Vi和Vm作用的先后次序，决定磁场的旋转方向， 最终决定电机是正转或反转。4.根据SVPWM生成方案，交由SVPWM状态机计算，得到 计算结果。教师批阅:课程设计用纸10教师批阅:第 3 章系统硬件设计3.1主电路设计本系统采用交-直-交电压型逆变电路，主电路的额定容量为200W，主要由整流电路、滤波电路及逆变电路组成。选取整流桥 为KBJ10A-10（即10A，1000V），整流后的直流电压Udc=1.2Ui。主 电路工作时，因为智能功率模块IPM的开关频率很高，开关动作 时会在直流侧产生电流

14、突变，由于主电路分别电感的存在，在IPM模块内部的IGBT的集电极和发射极以及直流母线上会出现浪涌电 压，不但影响逆变器的工作，还会损坏IGBT，因此需要在逆变桥 上加上一个吸收缓冲电路，图3-1中的电容C2和电阻R2就是一 个吸收缓冲电路。C2为无极性电容，R2为无感电阻，二者接线时 应尽量靠近IPM的直流进线端，减少电感可能引起的震荡。逆变电路由智能功率模块IPM来完成， 这里选用三菱公司的 智能功率模块IPM，选取额定电流20A、耐压600V的IPM模 块:PM20CTM060。其内部结构如图3-2所示。IPM供电电压为四 组+15V电源。它有过流、过热、欠压、短路四种保护。有故障时，I

15、PM低电平输出电流为10mA，宽度为1.8ms的脉冲信号， 由于其 内部的保护并不是针对反复出现的故障，所以一旦输出故障信号FO,系统必须马上做出反应，停机检查，否则循环输出故障信号 容易打坏模块。智能功率模块的选用，大大减少系统的体积，提高 了系统的性能和可靠性。课程设计用纸113.2 PWM驱动电路以u相上桥臂为例，其驱动接口电路如图3.2所示，由于驱动 电路控制电压是5V，而DSP输出的PWM脉冲电压幅值是3.3V，因此需要进行电平转换，本设计采用电平转换芯片74LVC4245实 现从3.3V到5V的转换。光耦采用高速光耦芯片TLP521，在光耦 的输入端接入限流电阻R7,防止电流过大烧

16、坏光耦， 在IPM的控 制信号输入端连接上拉电阻R1R6,以防止由于du/dt的作用而 产生误动作。(ND教师批阅:图 3.1 IPM 内部结构图课程设计用纸12课程设计用纸133.3故障保护电路当IPM的F0引脚输出低电平脉冲，经光电耦合后把DSP的PDPINTA弓I脚也拉为低电平，此时所有的PWM输出管脚都呈高 阻状态。同样，它与DSP的接口电路也需要进行电平转换，这里 采用电阻分压的方式，具体接口电路如图3.3所示。还设计有蜂鸣 器报警电路，当故障信号输出时，蜂鸣器报警，提醒操作者第一时 间做出反应，防止故障循环输出。3.4键盘和液晶本实验平台的键盘输入采用4X4的矩阵式键盘，有0-9共

17、10个数字按键和A-F共6个辅助按键。与DSP接口电路如图 3.4所示。本系统能够完成异步电机的变压变频调速实验，因此键盘的主要功能是输入频率指令值和启、停电机以及对电机的加减速控制。 键盘各个键的功能说明如表3-1所示。图 3.2PWM教师批阅:课程设计用纸14图 3.4 键盘输入及液晶显示键值0-9ABCDEF功能频率输入加速减速待用删除启动停止表 3-1 键盘各值功能从附表中可以看到，实验充分利用了矩阵式键盘按键丰富、显 示明确的特点，数字键和字母键分别实现不同的功能，赋值明确， 一目了然，便于操作。系统显示采用液晶显示模块RT12232F。为了节省资源，尽量 少占用DSP的I/O口，因

18、此液晶显示采用串行控制方式。接口电 路如图 3.4所示。将显示模块串口的同步时钟引脚(SCLK)和数据输 入引脚(sid)与DSP的两个通用I/O相连;在对比度调整端通过接入10KW的电位器来调整显示器的背光和对比度， 使显示更加清晰。由于液晶显示模块的工作电压为5V，所以加入电平转换芯片实现 电平转换。将液晶显示与键盘输入相结合，即能完成人机通讯的任 务。这里液晶显示器可以实时显示键盘设定的频率和通过光电编码 器测得的转速值。教师批阅:GNDGNVCC収课程设计用纸15第 4 章系统软件设计系统软件由主程序、中断程序和子程序组成。其中，主程序包 括系统初始化和主循环等待；子程序包括电机运行频

19、率和指令给定 子程序、显示子程序；中断程序包括SVPWM波形的生成和功率 驱动保护中断程序。系统主程序流程图如图4-1所示。使用的是目 前最流行的七段式SVPWM波形生成法。利用DSP定时器的下溢 功能产生中断，即进入子程序计算出下一个PWM周期的三个比较 寄存器的比较值。程序可以实现调制波频率0-50HZ的变频功能、死区功能，其中载波频率和采样频率可以根据实际情况由软件进行设置图 4-1 主程序流程图图 4-2 中断子程序流程教师批阅:课程设计用纸16第 5 章调试结果5.1教师批阅:课程设计用纸17教师批阅:第 6 章设计总结通过这次课程设计，通过本次运动控制课程设计，学习和巩固 了很多运

20、动控制相关知识和DSP基础知识。从最初不熟悉设计流 程到顺利完成整个设计，中间付出了辛勤的汗水和宝贵的时间。 在 设计过程中，不但学会了怎样运用已学的知识到实践当中，而且学 会了怎么样有效地查找资料，提高工作效率，提高了管理和沟通能 力。在设计过程当中，得到了老师和同学的热心帮助，感谢老师和 同学的指导和帮助。该设计利用DSP设计的信号发生器不仅成功实现了输入时间 信号到SVPWM触发信号的转换，而且具有良好的抗干扰能力。 此外，其并行处理结构可以保证三相桥臂开关同时动作，有效地提升了控制系统的整体性能。可简便地应用于逆变器控制系统中。该设计完全实现数字化，可靠性高，控制精度高，性能优良。课程

21、设计用纸18教师批阅:参考文献1孟庆春电力拖动自动控制系统。沈阳：东北大学出版社，20052王兆安.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.3张广溢.电机学M.重庆：重庆大学出版社，2002.4陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）M.北京：机械工业出版社.2005阮毅,陈维钧.运动控制系统.北京：清华大学出版社.20066夏杨.计算机控制技术。北京：机械工业出版社.20077郁春兰.计算机原理与接口技术北京：人民交通出版社.20078李定仁.电机的微机控制.北京：机械工业出版社.20079王军.自动控制原理M.重庆：重庆大学出版社，2008.课程设计用纸19教师批阅：附录 程序清单.

22、in elude 240 x.h;寄存器地址.global_c_intO;全局化标号；. 以下定义变量STO .set 0;状态寄存器 ST0ST1 .set 1;状态寄存器 ST1.bss TEMP,1;临时变量.bss SET_F,1;频率调节比，Q16 格式（值为 0-1,对应 0-50Hz）.bss THETA_S,1;e-扇区数转换系数,Q15 格式.bss SECTOR,1渗考电压所在的扇区数，Q0 格式.bss THETA_90,1;90 度,Q12 格式.bss THETA_180,1;180 度,Q12 格式.bss THETA_270,1;270 度,Q12 格式.bss

23、THETA_360,1;360 度,Q12 格式.bss DEC_MS,24;6 个逆阵,Q14 格式.bss T1_PERIODS,1;定时器 1 周期值,Q5 格式.bss CMP_1,1;第 1 基本矢量,Q0 格式.sect .vectors;定义主向量段RESET B _c_i nt0;地址 0000H，复位，优先级 1INT1B PHANTOM;地址 0002H , INT1，优先级 4INT2B _C_INT2;地址 0004H , INT2，优先级 5RESERVED B PHANTOM;地址 000EH，测试，优先级 10SW_INT8B PHANTOM;地址 0010H，自

24、定义软中断SW_INT27 B PHANTOM;地址 0036H，自定义软中断SW_INT28 B PHANTOM;地址 0038H，自定义软中断SW_INT29 B PHANTOM;地址 003AH，自定义软中断SW_INT30 B PHANTOM;地址 003CH，自定义软中断SW_INT31 B PHANTOM;地址 003EH，自定义软中断；. 定义子向量段 .sect .pvecs;定义子向量段PVECTORSB PHANTOM;偏移地址 0000H课程设计用纸20B PHANTOM;偏移地址 0001HB PHANTOM;偏移地址 0002H课程设计用纸21B PHANTOM;偏移

25、地址 002FH教师批阅:B PHANTOM;偏移地址 0030HB PHANTOM;偏移地址 0031HB PHANTOM;偏移地址 0032HB PHANTOM;偏移地址 0033HB PHANTOM;偏移地址 0034HB PHANTOM;偏移地址 0035HB PHANTOM;偏移地址 003FHB PHANTOM;偏移地址 0040HB PHANTOM;偏移地址 0041H.text;. 系统初始化程序_c_i ntOSETCINTM;禁止中断CLRCCNF;B0 为数据存储区LDP#224SPLK#68H,WDCR;不用看门狗LDP#225LACCMCRAOR#0FC0H;设置 PWM1-6 引脚SACLMCRA;. 中断初始化程序