DSP的三相SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方案

1、封面作者： PanHongliang供個人學(xué)習(xí)基于DSP的三相SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計摘要根據(jù)電壓矢量的基本原理，利用TMS320LF2407A，對電流 采樣、速度檢測、驅(qū)動保護以及控制系統(tǒng)進行軟件設(shè)計。設(shè)計出 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：DSR SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)目錄第1章 設(shè)計目的及意義5第2章SVPWM基本原理62.1電壓空間矢量脈寬調(diào)制法（SVPWM）62.2電壓空間矢量技術(shù)的基本原理72.2.1三相逆變器輸出電壓的矢量表示72.2.2磁鏈軌跡的控制82.3SVPWM波的生成9第3章 系統(tǒng)方案及硬件

2、設(shè)計103.1系統(tǒng)方案103.2主電路設(shè)計113.3PWM驅(qū)動電路113.4故障保護電路123.5鍵盤和液晶12第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計14第5章 設(shè)計總結(jié)15參考文獻16附錄程序清單17第1章 設(shè)計目的及意義訓(xùn)練學(xué)生正確地應(yīng)用運動控制系統(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，熟悉運動控制系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過 程，軟硬件設(shè)計的工作方法、工作內(nèi)容、工作步驟；對學(xué)生進行基本技能訓(xùn) 練，例如組成系統(tǒng)、編程、高度、繪圖等，使學(xué)生理論聯(lián)系實際，提高動手能 力和分析問題、解決問題的能力。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

3、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DSP作為控制核心，充分利用其高速運算能力和強大的控制功能以實現(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

4、不同，它是從電機的角度出發(fā)，把 電機和逆變器看作一個整體考慮，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 壓供電時交流電機的理想磁通圓軌跡為基準，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生 的實際磁通去逼近基準圓磁通，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現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量PWM(space vector PWM，SVPWM)控制”。SVPWM較之于SPWM，SVPWM在輸出電壓或電機線圈的電流都將產(chǎn)生 更少的諧波，提高了對電壓源

5、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的動態(tài)響應(yīng)性能，同時減少了電動機的轉(zhuǎn)矩脈動， 簡單的矢量模式切換更易于數(shù)字化實現(xiàn)。由于該控制方法把逆變器和異步電機看作一個整體來處理，所用到的數(shù)學(xué) 模型和數(shù)字算法均很簡單，便于微處理器實時控制，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，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。2.2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0.1所示電路為三相逆變器供電給異步電動機的原理圖。圖中有6個功 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)

6、時，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，則用“0”表示。三個橋臂共有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 0.1 三相逆變器主電路電壓源逆變器可由圖 0.2所示的6個開關(guān)來等效表示。如圖 0.2所示，當(dāng)上 橋臂開通、下橋臂關(guān)斷時，即Sa=1時，；當(dāng)上橋臂關(guān)斷、下橋臂開通時，即Sa=0時，。Sc亦同。逆變器的8種開關(guān)模式對應(yīng)有8個電壓

7、空間矢量。采用坐標(biāo)變換，將三相 電壓變換到d-q軸系。（2.1）式中：通過不同的矢量組合可以合成新矢量，設(shè)相鄰兩個有效矢量Vi和Vm,零 矢量為Vo,合成新矢量Vout,矢量作用時間分別是Ti、Tm、To。Tpwm是PWM脈寬周期。合成新矢量的表達式為（2.2）（2.3）矢量分別投影到橫、縱坐標(biāo)軸,得（2.4）圖 0.2 逆變器等效圖(2.5)整理可得SVPW的基本公式為(2.6)(2.7)2.2.2磁鏈軌跡的控制逆變器按照所示電壓依次輸出給電動機供電，則電動機定子磁鏈矢端的運 動軌跡將是一個正六邊形，而不是所希望的圓形磁場，電動機電流波形將會出 現(xiàn)較大的尖峰。從而改善點擊電流波形和提高電力電

8、子半導(dǎo)體器件的實用效率 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)時間 組合使產(chǎn)生的磁鏈軌圖 0.3 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：(2.8)其中t1,t2為某兩個非零空間電壓矢量在采樣周期內(nèi)作用的時間，t0為零矢量作用的時間。由積分近似公式有：(2.9)*V為正弦電壓設(shè)定值，V T為在第k個采樣周期的磁鏈設(shè)定值的增量，V1t1和V2t2為電壓矢量V1和V2分別在各自的作用時間里所產(chǎn)生的磁鏈增 量。由正弦定理得：(2.10)由此可推證：(2.11)式10中a為調(diào)制比；丫為V*與V2之間的夾角。只要調(diào)整t2、t0的作 用時間，就可以達到變頻調(diào)速的

9、目的。此外，為了使磁鏈的運動速度平滑，零 矢量不是集中加入，而是將零矢量平均分成幾份，多點地插入到磁鏈軌跡中， 但作用時間和仍為t0,這樣就可以減少電動機的轉(zhuǎn)矩的脈動。圖 0.4 空間矢量的線性合成2.3SVPWM 波的生成只要給定輸出頻率、輸出線電壓、直流母線電壓后，就可以生成SVPWM，步驟如下。1.連續(xù)不斷地合成新的矢量，就能令電機產(chǎn)生圓形的磁場。新矢量的角度 遞增關(guān)系為（2.12） 式中：角頻率，f是輸出頻率。2.根據(jù)角度a落在6個不同區(qū)間，選擇不同的有效矢量Vi和Vmo。3.有效矢量Vi和Vm作用的先后次序，決定磁場的旋轉(zhuǎn)方向，最終決定電機是正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。4.根據(jù)SVPWM生成方案，交

10、由SVPWM狀態(tài)機計算，得到計算結(jié)果。第3章 系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)方案異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件框圖如圖 0.5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。 控制 電路以DSP為核心， 完成SVPWM算法，實現(xiàn)人機交互功能，同時，DSP還監(jiān) 控整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，DSP封鎖PWM輸出信號，防止 發(fā)生故障而燒壞器件，確保系統(tǒng)的安全運行。圖 0.5 系統(tǒng)硬件圖本系統(tǒng)采用TMS320LF2407A，它是TI公司專為工業(yè)控制和電機控制推出 的系列產(chǎn)品。這款D

11、SP將實時處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身。有如下 特性：靈活的指令系統(tǒng)；高速的運算能力；大容量的存儲能力；有效的性能價 格比。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：工業(yè)電機驅(qū)動；逆變電源；功率轉(zhuǎn)換器和控制器； 汽車系統(tǒng)；儀表和壓縮機電機控制；機器人和計算機數(shù)字控制機械。TMS320LF2407A具有2個事件管理器；32位中央算術(shù)邏輯單元；32位累 加器；16位X16位乘法器；3個比例移位器；間接尋址用的8個16位輔助寄存 器和輔助算術(shù)單元；4級流水線操作；8級硬件操作；6個可屏蔽中斷；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

12、間；I/O空間64K。此外還有功能強大的 外設(shè)：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。TMS32OLF24O7A芯片是通過3條總線實施指令讀取、澤碼、取操作數(shù)、執(zhí) 行指令等操作。TMS32OLF24O7A中有兩個事件管理器EVA和EVB，它們都有一特殊硬件 SVPWM狀態(tài)機器件。因此2407A具有兩個SVPWM狀態(tài)機。本系統(tǒng)采用EVA，利用2407A內(nèi)部自帶的SVPWM狀態(tài)機生成波形。3.2 主電路設(shè)計本系統(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。選取整流橋為KBJ10A-1

13、0（即10A，1000V），整流后的直流電壓Udc=1.2Ui。主電路工作時，因為智能功率模塊IPM的開關(guān)頻率很高，開關(guān)動作時會在直流側(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，因此需要在逆變橋上加上一 個吸收緩沖電路，圖 0.5中的電容C2和電阻R2就是一個吸收緩沖電路。C2為 無極性電容，R2為無感電阻，二者接線時應(yīng)盡量靠近IPM的直流進線端，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

14、IPM模塊:PM20CTM060。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖0.6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。有故障時，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 0.6 IPM 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.3PWM 驅(qū)動電路以u相上橋臂為例，其驅(qū)動接口電路如圖0.7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，因此需要進行電

15、平轉(zhuǎn) 換，本設(shè)計采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245實現(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 0.7 PWM 驅(qū)動電路3.4 故障保護電路當(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，此時所有的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0.8所示。還設(shè)計有蜂鳴器報警電路，當(dāng)故障信號輸出時，蜂鳴器報警，提 醒操作者第一

16、時間做出反應(yīng)，防止故障循環(huán)輸出。圖 0.8 FO 故障輸出信號觸發(fā)電路3.5 鍵盤和液晶本實驗平臺的鍵盤輸入采用4X4的矩陣式鍵盤，有0-9共10個數(shù)字按鍵 和A-F共6個輔助按鍵。與DSP接口電路如圖 0.9所示。本系統(tǒng)能夠完成異步電機的變壓變頻調(diào)速實驗，因此鍵盤的主要功能是輸 入頻率指令值和啟、停電機以及對電機的加減速控制。鍵盤各個鍵的功能說明 如表01所示。圖 0.9 鍵盤輸入及液晶顯示鍵值0-9ABCDEF功能頻率輸入加速減速待用刪除啟動停止表 01 鍵盤各值功能從附表中可以看到，實驗充分利用了矩陣式鍵盤按鍵豐富、顯示明確的特 點，數(shù)字鍵和字母鍵分別實現(xiàn)不同的功能，賦值明確，一目了然，

17、便于操作。系統(tǒng)顯示采用液晶顯示模塊RT12232F。為了節(jié)省資源，盡量少占用DSP的I/O口，因此液晶顯示采用串行控制方式。接口電路如圖 0.9所示。將顯示模 塊串口的同步時鐘引腳（SCLK）和數(shù)據(jù)輸入引腳（sid）與DSP的兩個通用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，所以加入電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。將液晶顯示與鍵盤輸入相結(jié)合，即能完成人機通訊的任務(wù)。這里液晶顯示 器可以實時顯示鍵盤設(shè)定的頻率和通過光電編碼器測得的轉(zhuǎn)速值。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件由主程序、中斷程序和子程序組成。其中，主程序包括

18、系統(tǒng)初始 化和主循環(huán)等待。子程序包括電機運行頻率和指令給定子程序、顯示子程序。 中斷程序包括SVPWM波形的生成和功率驅(qū)動保護中斷程序。系統(tǒng)主程序流程 圖如圖 0.10 主程序流程圖所示。使用的是目前最流行的七段式SVPWM波形生成 法。利用DSP定時器的下溢功能產(chǎn)生中斷，即進入子程序計算出下一個PWM周期的三個比較寄存器的比較值。程序可以實現(xiàn)調(diào)制波頻率0-50Hz的變頻功 能、死區(qū)功能，其中載波頻率和采樣頻率可以根據(jù)實際情況由軟件進行設(shè)置。圖 0.10 主程序流程圖圖 0.11 中斷子程序流程第5章 設(shè)計總結(jié)通過這次課程設(shè)計，通過本次運動控制課程設(shè)計，學(xué)習(xí)和鞏固了很多運動 控制相關(guān)知識和DS

19、P基礎(chǔ)知識。從最初不熟悉設(shè)計流程到順利完成整個設(shè)計， 中間付出了辛勤的汗水和寶貴的時間。在設(shè)計過程中，不但學(xué)會了怎樣運用已 學(xué)的知識到實踐當(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)計利用DSP設(shè)計的信號發(fā)生器不僅成功實現(xiàn)了輸入時間信號到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)同時動作，有效地提升了控制系統(tǒng)的整體性能?？珊?便地應(yīng)用于逆變器控制系統(tǒng)中。該設(shè)計完全實現(xiàn)數(shù)字化，可靠性高，控制精度高，性能優(yōu)良。參考文獻1孟慶春.電力拖動自

20、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：機械工業(yè)出版社，2000.3張廣溢.電機學(xué)M.重慶：重慶大學(xué)出版社，2002.4陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)（第2版）M.北京：機械工業(yè)出版社.20055阮毅,陳維鈞.運動控制系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社.20066夏楊.計算機控制技術(shù)。北京：機械工業(yè)出版社.20077郁春蘭.計算機原理與接口技術(shù).北京：人民交通出版社.20078李定仁.電機的微機控制.北京：機械工業(yè)出版社.20079王軍.自動控制原理M.重慶：重慶大學(xué)出版社，2008.附錄 程序清單.include 240 x.h。 寄存器地址.global_c_int

21、0。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。9-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 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個逆陣,Q14格式

22、.bss T1_PERIODS,1。定時器1周期值,Q5格式.bss CMP_1,1。第1基本矢量,Q0格式RESETB _c_int0。地址0000H，復(fù)位，優(yōu)先級1INT1B PHANTOM。地址0002H，INT1，優(yōu)先級4.sect .vectors定義主向量段INT2 B _C_INT2。地址RESERVED B PHANTOMSW_INT8 B PHANTOMSW_INT27 B PHANTOMSW_INT28 B PHANTOMSW_INT29 B PHANTOMSW_INT30 B PHANTOM0004H，INT2，優(yōu)先級5o地址000EH，測試，優(yōu)先級10。地址0010H，

23、自定義軟中斷o地址0036H，自定義軟中斷o地址0038H，自定義軟中斷o地址003AH，自定義軟中斷o地址003CH,自定義軟中斷SW_INT31 B PHANTOM。地址003EH，定義子向量段PVECTORSBPHANTOM。偏移地址0000HBPHANTOM。偏移地址0001HBPHANTOM。偏移地址0002HBPHANTOM。偏移地址002FHBPHANTOM。偏移地址0030HBPHANTOM。偏移地址0031HBPHANTOM。偏移地址0032HBPHANTOM。偏移地址0033HBPHANTOM。偏移地址0034HBPHANTOM。偏移地址0035HBPHANTOM。偏移地址

24、003FHBPHANTOM。偏移地址0040HBPHANTOM。偏移地址 0041H.text。-系統(tǒng)初始化程序_c_int0SETC INTM。禁止中斷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定義子向量段o中斷初始化程序o自定義軟中斷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_P

25、ERIODS。T1周期值的Q5格式,500*32SPLK #11585,MAX_V。 最大參 考電壓幅 值SPLK#10053,F_OMEGA。頻率調(diào)節(jié)比-角頻率轉(zhuǎn)換率,Q5格式CHK_UPLIMSACL THETA_M。 在第四象限LAR AR0,TEMP。指向該地址LACC CMP_0ADDCMP_1ADD CMP_2。CMP_0+CMP_1+CMP_2SACL *。 送入該比較器B REST。 返回.data。 -數(shù)據(jù)段.word 4516,4790,5063,5334,5604.word 5872,6138,6402,6664,6924.word 7182,7438,7692,7943

26、,8192.word 8438,8682,8923,9162,9397.word 9630,9860,10087,10311,10531.word 10749,10963,11174,11381,11585.word 11786,11982,12176,12365,12551.word 12733,12911,13085,13255,13421.word 13583,13741,13894,14044,14189.word 14330,14466,14598,14726,14849.word 14968,15082,15191,15296,15396.word 15491,15582,1566

27、8,15749,15826.word 15897,15964,16026,16083,16135.word 16182,16225,16262,16294,16322.sect .pvecs.word 16344,16362,16374,16382,16384.end版權(quán)申明本文部分內(nèi)容，包括文字、圖片、以及設(shè)計等在網(wǎng)上搜集整 理。版權(quán)為潘宏亮個人所有This article in eludes some parts, in cludi ng text, pictures, and design. Copyright is Pan Hon glia ngs pers onal own ership.用戶可將本文的內(nèi)容或服務(wù)用于個人學(xué)習(xí)、研究或欣賞，以及 其他非商業(yè)性或非盈利性用途，但同時應(yīng)遵守著作權(quán)法及其他相關(guān) 法律的規(guī)定，不得侵犯本網(wǎng)站及相關(guān)權(quán)利人的合法權(quán)利。除此以 外，將本文任何內(nèi)容或服務(wù)用于其他用途時，須征得本人及相關(guān)權(quán) 利人的書面許可，并支付報酬