基于DSP的三相SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 教師批閱：基于DSP的三相SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要根據(jù)電壓矢量的基本原理，利用TMS320LF2407A，對電流采樣、速度檢測、驅(qū)動保護(hù)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出基于DSP控制系統(tǒng)的SVPWM的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制器。使得逆變電源的智能化程度更高，性能更加完美 。關(guān)鍵詞：DSP；SVPWM；變頻調(diào)速系統(tǒng)i課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 教師批閱：目錄第1章 設(shè)計(jì)目的及意義 . 1第2章 SVPWM基本原理 . 22.1 電壓空間矢量脈寬調(diào)制法（SVPWM） . 22.2 電壓空間矢量技術(shù)的基本原理 . 32.2.1 三相逆變器輸出電壓的矢量表示 . 32.2.2 磁鏈

2、軌跡的控制 . 52.3 SVPWM波的生成 . 6第3章 系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計(jì) . 83.1 系統(tǒng)方案 . 83.2 主電路設(shè)計(jì) . 93.3 PWM驅(qū)動電路 . 103.4 故障保護(hù)電路 . 113.5 鍵盤和液晶 . 12第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 14第5章 設(shè)計(jì)總結(jié) . 15參考文獻(xiàn) . 16附錄 程序清單 . 17ii課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 教師批閱：第1章 設(shè)計(jì)目的及意義訓(xùn)練學(xué)生正確地應(yīng)用運(yùn)動控制系統(tǒng)，培養(yǎng)解決工業(yè)控制、工業(yè)檢測等領(lǐng)域具體問題的能力；通過課程設(shè)計(jì)，熟悉運(yùn)動控制系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程，軟硬件設(shè)計(jì)的工作方法、工作內(nèi)容、工作步驟；對學(xué)生進(jìn)行基本技能訓(xùn)練，例如組成系統(tǒng)、

3、編程、高度、繪圖等，使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高動手能力和分析問題、解決問題的能力。1課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 教師批閱：第2章 SVPWM基本原理2.1 電壓空間矢量脈寬調(diào)制法（SVPWM）隨著電力電子器件和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以及高性能控制方法在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速。特別是采用了專為電機(jī)控制開發(fā)的數(shù)字信號處理器DSP為核心的全數(shù)字化控制系統(tǒng)，為高性能的控制方法提供了可靠的硬件環(huán)境。這種DSP集中了電動機(jī)控制所必須的可增加死區(qū)和靈活多變的多路PWM信號發(fā)生器，高速高精度ADC，以及用于電機(jī)速度和位置反饋的編碼器接口等電路。目前國內(nèi)外應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的變頻器，很多都把

4、DSP作為控制核心，充分利用其高速運(yùn)算能力和強(qiáng)大的控制功能以實(shí)現(xiàn)高性能的變頻控制。電壓空間矢量脈寬調(diào)制方法(SVPWM)為交流電機(jī)的一種控制方法，電壓空間矢量PWM方法和普通的正弦PWM方法不同，它是從電機(jī)的角度出發(fā)，把電機(jī)和逆變器看作一個(gè)整體考慮，不簡單從得到電壓電流正弦出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，即正弦磁通。其以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)交流電機(jī)的理想磁通圓軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以

5、又稱“電壓空間矢量PWM（space vector PWM，SVPWM）控制”。SVPWM較之于SPWM，SVPWM在輸出電壓或電機(jī)線圈的電流都將產(chǎn)生更少的諧波，提高了對電壓源逆變器直流供電電源的利用率。提高了電壓型逆變器的電壓利用率和電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能，同時(shí)減少了電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，簡單的矢量模式切換更易于數(shù) 2課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙字化實(shí)現(xiàn)。由于該控制方法把逆變器和異步電機(jī)看作一個(gè)整體來處理，所用到的數(shù)學(xué)模型和數(shù)字算法均很簡單，便于微處理器實(shí)時(shí)控制，且具有轉(zhuǎn)矩脈動小，噪聲低、直流電壓利用率高、開關(guān)頻率低的優(yōu)點(diǎn)，因此目前無論在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)或閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中均得到廣泛的應(yīng)用。 教師批閱：2.2

6、電壓空間矢量技術(shù)的基本原理2.2.1 三相逆變器輸出電壓的矢量表示圖 2.1所示電路為三相逆變器供電給異步電動機(jī)的原理圖。圖中有6個(gè)功率開關(guān)管，當(dāng)當(dāng)上橋臂開關(guān)管處于 “開” 狀態(tài)，下橋臂開關(guān)管處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，則用“1”表示；當(dāng)下橋臂開關(guān)管處于“開”狀態(tài)，上橋臂開關(guān)管處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，則用“0三個(gè)橋臂共有000、001、010、011、100、101、110、111八種開關(guān)模式，其中000、111開關(guān)模式使逆變器輸出電壓為零，稱這兩種開關(guān)模式為零狀態(tài)。只要控制這些基本空間矢量的組合，同時(shí)再將零矢量合理分配，就能使瞬態(tài)輸出空間電壓矢量按一定的圓形軌跡旋轉(zhuǎn)。圖 2.1 三相逆變器主電路電壓源逆變器

7、可由圖 2.2所示的6個(gè)開關(guān)來等效表示。如圖 2.2所示，當(dāng)上橋臂開通、下橋臂關(guān)斷時(shí)，即Sa=1時(shí)，U Udc；當(dāng) 3課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 上橋臂關(guān)斷、下橋臂開通時(shí)，即Sa=0時(shí)， U=-Udc同。逆變器的8種開關(guān)模式對應(yīng)有8個(gè)電壓空間矢量。采用坐2標(biāo)變換，將三相電壓變換到d-q軸系。Sc亦教師批閱：V(SaSbSc)=2132UVW =2U+V+W2 （2.1） 3()j2/3=-式中：=e13+j 22通過不同的矢量組合可以合成新矢量，設(shè)相鄰兩個(gè)有效矢量V1和Vm，零矢量為Vo，合成新矢量Vout，矢量作用時(shí)間分別是T1、Tm、To。Tpwm是PWM脈寬周期。合成新矢量的表達(dá)式為V1T1

8、+VmTm+V0T0=VoutTpwm （2.2） T0+T1+Tm=Tpwm （2.3）矢量分別投影到橫、縱坐標(biāo)軸，得2dcT1+321dcTm=VoutTpwmcos （2.4） 32圖 2.2 逆變器等效圖4課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 2dcTin+3教師批閱： 2=VoutTpwmsin （2.5）3整理可得SVPWM的基本公式為T1=Tm=2VoutUdc2VoutTpwmsin - 3 （2.6）Tpwmsin （2.7） Udc2.2.2 磁鏈軌跡的控制逆變器按照所示電壓依次輸出給電動機(jī)供電，則電動機(jī)定子磁鏈?zhǔn)付说倪\(yùn)動軌跡將是一個(gè)正六邊形，而不是所希望的圓形磁場，電動機(jī)電流波形將會出

9、現(xiàn)較大的尖峰。從而改善點(diǎn)擊電流波形和提高電力電子半導(dǎo)體器件的實(shí)用效率的角度考慮，可以適當(dāng)提高開關(guān)頻率，這樣可以利用空間矢量的線性持續(xù)時(shí)間組合使產(chǎn)生的磁鏈軌圖 2.3 基本空間電壓矢量跡逼近圓形。若逆變器的采樣周期為T，則有：T=t1+t2+t3 （2.8） 其中t1,t2為某兩個(gè)非零空間電壓矢量在采樣周期內(nèi)作用的時(shí)間，t0為零矢量作用的時(shí)間。由積分近似公式有：V*T=V1t1+V2t2 （2.9） 5課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙6課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 新矢量的角度遞增關(guān)系為 教師批閱：（2.12） =+Tpwm式中：角頻率=2/f，f是輸出頻率。2. 根據(jù)角度a落在6個(gè)不同區(qū)間，選擇不同的有效矢量

10、V1和Vmo。3. 有效矢量V1和Vm作用的先后次序，決定磁場的旋轉(zhuǎn)方向，最終決定電機(jī)是正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。4. 根據(jù)SVPWM生成方案，交由SVPWM狀態(tài)機(jī)計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果。7課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 教師批閱：第3章 系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)方案異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件框圖如圖 3.1所示。系統(tǒng)主要由主電路模塊和控制模塊兩部分組成。主電路采用交直交電壓型逆變電路，主要由整流電路、濾波電路及智能功率逆變電路組成，逆變電路則由IPM模塊來完成?？刂齐娐芬訢SP為核心，完成SVPWM算法，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，同時(shí)，DSP還監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，DSP封鎖PWM輸出信號，防止發(fā)生故

11、障而燒壞器件，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。圖 3.1 系統(tǒng)硬件圖本系統(tǒng)采用TMS320LF2407A，它是TI公司專為工業(yè)控制和電機(jī)控制推出的系列產(chǎn)品。這款DSP將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的 8課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 外設(shè)功能集于一身。有如下特性：靈活的指令系統(tǒng)；高速的運(yùn)算能教師批閱： 力；大容量的存儲能力；有效的性能價(jià)格比。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：工業(yè)電機(jī)驅(qū)動；逆變電源；功率轉(zhuǎn)換器和控制器；汽車系統(tǒng)；儀表和壓縮機(jī)電機(jī)控制；機(jī)器人和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)械。TMS320LF2407A具有2個(gè)事件管理器；32位中央算術(shù)邏輯單元；32位累加器；16位×16位乘法器；3個(gè)比例移位器；間接尋址用的8個(gè)16位輔助寄存

12、器和輔助算術(shù)單元；4級流水線操作；8級硬件操作；6個(gè)可屏蔽中斷；544字的片內(nèi)DARAM和2K字的片內(nèi)SARAM；32K字片內(nèi)FLASH程序存儲器；64K程序存儲空間；35.5K數(shù)據(jù)存儲空間；I/0空間64K。串行通信接口SCI；串行外圍接口 SPI；CAN總線控制器；事件管理器EV；A/D轉(zhuǎn)換器；看門狗WD。TMS320LF2407A芯片是通過3條總線實(shí)施指令讀取、澤碼、取操作數(shù)、執(zhí)行指令等操作。TMS320LF2407A中有兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，它們都有一特殊硬件SVPWM狀態(tài)機(jī)器件。因此2407A具有兩個(gè)SVPWM狀態(tài)機(jī)。本系統(tǒng)采用EVA，利用2407A內(nèi)部自帶的SVPWM狀態(tài)機(jī)

13、生成波形。3.2 主電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用交直交電壓型逆變電路，主電路的額定容量為200W，主要由整流電路、濾波電路及逆變電路組成。選取整流橋?yàn)镵BJ10A-10(即10A，1000V)，整流后的直流電壓Udc=1.2Ul。主電路工作時(shí)，因?yàn)橹悄芄β誓KIPM的開關(guān)頻率很高，開關(guān)動作時(shí)會在直流側(cè)產(chǎn)生電流突變，由于主電路分別電感的存在，在IPM模塊內(nèi)部的IGBT的集電極和發(fā)射極以及直流母線上會出現(xiàn)浪涌電壓，不但影響逆變器的工作，還會損壞IGBT，因此需要在逆變橋 9課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 上加上一個(gè)吸收緩沖電路，圖 3.1中的電容C2和電阻R2就是一個(gè)教師批閱： 吸收緩沖電路。C2為無極性電容，R2

14、為無感電阻，二者接線時(shí)應(yīng)盡量靠近IPM的直流進(jìn)線端，減少電感可能引起的震蕩。逆變電路由智能功率模塊IPM來完成，這里選用三菱公司的智能功率模塊IPM，選取額定電流20A、耐壓600V的IPM模塊:PM20CTM060。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3.2所示。IPM供電電壓為四組+15V電源。它有過流、過熱、欠壓、短路四種保護(hù)。有故障時(shí)，IPM低電平輸出電流為10mA，寬度為1.8ms的脈沖信號，由于其內(nèi)部的保護(hù)并不是針對反復(fù)出現(xiàn)的故障，所以一旦輸出故障信號FO，系統(tǒng)必須馬上做出反應(yīng)，停機(jī)檢查，否則循環(huán)輸出故障信號容易打壞模塊。智能功率模塊的選用，大大減少系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。圖 3.2 I

15、PM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.3 PWM驅(qū)動電路以u相上橋臂為例，其驅(qū)動接口電路如圖 3.3所示，由于驅(qū)動電路控制電壓是5V，而DSP輸出的PWM脈沖電壓幅值是3.3V，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245實(shí) 10課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 現(xiàn)從3.3V到5V的轉(zhuǎn)換。光耦采用高速光耦芯片TLP521，在光耦教師批閱： 的輸入端接入限流電阻R7，防止電流過大燒壞光耦，在IPM的控制信號輸入端連接上拉電阻R1R6，以防止由于du/dt的作用而產(chǎn)生誤動作。圖 3.3 PWM驅(qū)動電路3.4 故障保護(hù)電路當(dāng)IPM的FO引腳輸出低電平脈沖，經(jīng)光電耦合后把DSP的PDPINTA引腳也拉為低電平，此

16、時(shí)所有的PWM輸出管腳都呈高阻狀態(tài)。同樣，它與DSP的接口電路也需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這里采用電阻分壓的方式，具體接口電路如圖 3.4所示。還設(shè)計(jì)有蜂鳴器報(bào)警電路，當(dāng)故障信號輸出時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，提醒操作者第一時(shí)間做出反應(yīng)，防止故障循環(huán)輸出。11課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙12課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 少占用DSP的I/O口，因此液晶顯示采用串行控制方式。接口電教師批閱： 路如圖 3.5所示。將顯示模塊串口的同步時(shí)鐘引腳(SCLK)和數(shù)據(jù)輸入引腳(sid)與DSP的兩個(gè)通用I/O相連;在對比度調(diào)整端通過接入10KW的電位器來調(diào)整顯示器的背光和對比度，使顯示更加清晰。由于液晶顯示模塊的工作電壓為5V，所以加入

17、電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。將液晶顯示與鍵盤輸入相結(jié)合，即能完成人機(jī)通訊的任務(wù)。這里液晶顯示器可以實(shí)時(shí)顯示鍵盤設(shè)定的頻率和通過光電編碼器測得的轉(zhuǎn)速值。13課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙14課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 第5章 設(shè)計(jì)總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，通過本次運(yùn)動控制課程設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)和鞏固了很多運(yùn)動控制相關(guān)知識和DSP基礎(chǔ)知識。從最初不熟悉設(shè)計(jì)流程到順利完成整個(gè)設(shè)計(jì)，中間付出了辛勤的汗水和寶貴的時(shí)間。在設(shè)計(jì)過程中，不但學(xué)會了怎樣運(yùn)用已學(xué)的知識到實(shí)踐當(dāng)中，而且學(xué)會了怎么樣有效地查找資料，提高工作效率，提高了管理和溝通能力。在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，得到了老師和同學(xué)的熱心幫助，感謝老師和同學(xué)的指導(dǎo)和幫助。該設(shè)計(jì)利用DSP設(shè)計(jì)

18、的信號發(fā)生器不僅成功實(shí)現(xiàn)了輸入時(shí)間信號到SVPWM觸發(fā)信號的轉(zhuǎn)換，而且具有良好的抗干擾能力。此外，其并行處理結(jié)構(gòu)可以保證三相橋臂開關(guān)同時(shí)動作，有效地提升了控制系統(tǒng)的整體性能?？珊啽愕貞?yīng)用于逆變器控制系統(tǒng)中。該設(shè)計(jì)完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，可靠性高，控制精度高，性能優(yōu)良。教師批閱：15課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 教師批閱：參考文獻(xiàn)1 孟慶春.電力拖動自動控制系統(tǒng)。沈陽：東北大學(xué)出版社，20052 王兆安. 電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.3 張廣溢. 電機(jī)學(xué)M.重慶：重慶大學(xué)出版社，2002.4 陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng)（第2版）M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 20059 王軍.自動控制原理

19、M.重慶：重慶大學(xué)出版社，2008.16課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 教師批閱：附錄 程序清單.include "240x.h" ; 寄存器地址.global _c_int0 ;全局化標(biāo)號;-以下定義變量-ST0 .set 0 ;狀態(tài)寄存器ST0ST1 .set 1 ;狀態(tài)寄存器ST1.bss TEMP,1 ;臨時(shí)變量.bss SET_F,1 ;頻率調(diào)節(jié)比,Q16格式(值為0-1,對應(yīng)0-50Hz).bss THETA_S,1 ;-扇區(qū)數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù),Q15格式 .bss SECTOR,1 ;參考電壓所在的扇區(qū)數(shù),Q0格式 .bss THETA_90,1 ;90度,Q12格式.bss

20、 THETA_180,1 ;180度,Q12格式 .bss THETA_270,1 ;270度,Q12格式 .bss THETA_360,1 ;360度,Q12格式 .bss DEC_MS,24 ;6個(gè)逆陣,Q14格式.bss T1_PERIODS,1 ;定時(shí)器1周期值,Q5格式 .bss CMP_1,1 ;第1基本矢量,Q0格式 .sect ".vectors" ;定義主向量段RESET B _c_int0 ;地址0000H，復(fù)位，優(yōu)先級1INT1 B PHANTOM ;地址0002H，INT1，優(yōu)先級417課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 INT2 B _C_INT2 ;地址00

21、04H，INT2，優(yōu)先級教師批閱： 5RESERVED B PHANTOM ;地址000EH，測試，優(yōu)先級10SW_INT8 B PHANTOM ;地址0010H，自定義軟中斷 SW_INT27 B PHANTOM ;地址0036H，自定義軟中斷 SW_INT28 B PHANTOM ;地址0038H，自定義軟中斷 SW_INT29 B PHANTOM ;地址003AH，自定義軟中斷SW_INT30 B PHANTOM ;地址003CH，自定義軟中斷 SW_INT31 B PHANTOM ;地址003EH，自定義軟中斷 ;- 定義子向量段.sect ".pvecs" ;定義

22、子向量段PVECTORS B PHANTOM ;偏移地址0000HB PHANTOM ;偏移地址0001HB PHANTOM ;偏移地址0002HB PHANTOM ;偏移地址002FHB 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;-系統(tǒng)初始化程序_c_int018課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙 SETC INTM ; 禁止中斷 教師批閱： CLRC CNF ;B0為數(shù)據(jù)存儲區(qū)LDP #224SPLK #68H,WDCR ;不用看門狗LDP #225LACC MCRAOR #0FC0H ;設(shè)置PWM1-6引腳SACL MCRA;-中斷初始化程序LDP #0SPLK #0FFH,IFR ; 清所有系統(tǒng)中斷標(biāo)志 SPLK #00000010B,IMR ; 開INT2中斷LDP #232SPLK #0200H,EVAIMRA ; 開T1下溢中斷SPLK #16000,T1_PERIODS ;