基于DSP 的空間電壓矢量控制在變頻調(diào)速器上的應用

0 引言

　　隨著電力電子技術和微控制器技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代交流變頻調(diào)速系統(tǒng)技術在電機控制系統(tǒng)中的應用也越來越廣，采用全控型器件IGBT 的全數(shù)字控制的變頻調(diào)速器已經(jīng)實現(xiàn)了通用化，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應快、運行效率高、操作方便等優(yōu)點。變頻調(diào)速器的普及應用提高了現(xiàn)代工業(yè)的自動化水平，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動效率，最大限度的節(jié)約了能源，因此符合國家發(fā)展建設和諧、節(jié)約型社會的方針。

　　本文著重分析了變頻調(diào)速器的空間電壓矢量控制原理和死區(qū)補償技術，以及DSP 控制的工程實現(xiàn)。

1 變頻調(diào)速器空間電壓矢量控制原理

　　1.1 變頻調(diào)速器

　　變頻調(diào)速器把固定電壓、固定頻率的交流電（工頻電源）變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電，實現(xiàn)電機的寬范圍、連續(xù)、高效調(diào)速。常用主電路結構如圖1所示。

　　1.2 空間電壓矢量控制

　　空間電壓矢量控制是從電機的角度出發(fā)，著眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

　　它以三相對稱正弦波電壓供電時的交流電機的理想磁通圓為基準，通過逆變器不同的開關模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準磁通圓，以它們比較的結果決定逆變器的開關狀態(tài)。該控制算法是把逆變器和電機看成一個整體來處理，所以采用的DSP 實時控制，有轉(zhuǎn)矩脈動小、諧波少、電壓利用率高等優(yōu)點。

如果每周期只切換六次，磁鏈軌跡將呈現(xiàn)六邊形，如果要獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，就必須在每一個仔/3 電角度間出現(xiàn)更多的電壓空間矢量。

　　采用不同的基本空間電壓矢量在不同的作用時間下的線性組合，就可以得到更多相位的磁鏈矢量，為此SVPWM 控制技術就是通過基本電壓矢量的

2 空間電壓矢量控制算法

　　由上述原理出發(fā)，要有效控制電機磁鏈軌跡，必須解決三個問題：

　　（1）如何選擇電壓矢量；

　　（2）如何確定每個電壓矢量的作用時間；

　　（3）如何確定每個電壓矢量的作用次序。

　　第一個問題，可以選擇各扇區(qū)相鄰的基本電

對于第三個問題，各扇區(qū)內(nèi)電壓矢量的作用次序要保證任意一次電壓矢量的變化只能有一個橋臂的開關動作，并盡可能的使開關次數(shù)少。電壓矢量的作用次序如表圓所示，每次矢量變換只有一個橋臂動作，每個PWM 波都是以零矢量u0a 開始和結束，零矢量u0b 放在中間，電動機正反轉(zhuǎn)時，每個扇區(qū)的兩個相鄰基本矢量選擇順序不變，也就是說電動機的正反轉(zhuǎn)只與扇區(qū)的順序有關。

　　乘加運算可以求出當前相位和當前輸出頻率f 對應的兩個基本矢量的作用時間t1、t2，再通過查表確定矢量的作用次序。

3 基于TMS320LF2407A的七段式SVPWM實現(xiàn)

　　TMS320LF2407A 是TI 公司專為電機控制而推出的專用控制芯片，運行頻率可達到40 MHz，提高了控制器的實時控制能力。芯片內(nèi)集成兩個事件處理模塊EVA和EVB，非常方便生成PWM的對稱和非對稱波形，具有硬件快速保護引腳PDPINTx和可編程的死區(qū)控制單元。片內(nèi)有32 kB的FLASH 程序存儲器，2 KB 字的單口RAM，544B 的雙口DARAM，此外2407A集成了加密功能，有效地保護了程序的安全。采用TMS320LF240A生成對稱的SVPWM 非常方便且精度高。

　　TMS320LF2407A內(nèi)部集成了SVPWM脈沖調(diào)制波生成電路，但它采用的是五段式SVPWM 脈寬調(diào)制方式，電機在低速時會出現(xiàn)不平穩(wěn)現(xiàn)象。本文采用軟件法生成對稱七段式SVPWM 調(diào)制波，如圖6 所示。采用最優(yōu)SVPWM算法，并對全頻段進行了精確死區(qū)補償，有效地提高了對電機的控制精度。

　　在TMS320LF2407A 的事件管理器EVA 中，有三個16 位帶影子寄存器的實時比較寄存器，比較寄存器的加載可以設置成定時器的值為零時；一個16 位定時器可設置為連續(xù)增減計數(shù)，并在初始化時根據(jù)設置的載波頻率來設置定時器的周期值；在初始化時還要設置引腳PWM1、3、5 高有效，PWM2、4、6 低有效。在定時器中斷服務程序里只需根據(jù)SVPWM 優(yōu)化算法計算三個比較寄存器的值，簡化了的流程圖如圖7所示。

　　變頻調(diào)速器輸出線電壓波形如圖8所示。

　　變頻調(diào)速器在低頻時輸出的電流波形如圖9，程序中采用了SVPWM 優(yōu)化算法，輸出電流正弦度較高；并在死區(qū)補償程序里采用間接電流極性判斷法，實時對PWM 值進行補償控制，使電機實際電壓與期望電壓基本吻合，在補償切換時偏差不超過0.4 V，在低頻段實現(xiàn)了精確的速度控制。在每個載波周期的中斷程序里需要根據(jù)電流極性對PWM進行正補償或負補償，電流極性的判斷至關重要，如果對電流極性判斷錯誤將引起誤補償。簡單的根據(jù)電流傳感器判斷電流極性，在低頻時很容易出錯，因為在低頻輕載時，容易發(fā)生零電流箝位現(xiàn)象，電流發(fā)生畸變。采用間接電流極性判斷法將輸出電流傳感器瞬時值通過坐標變換轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標系（M 軸與電壓矢量重合，T 軸逆時針旋轉(zhuǎn)90毅），這樣交流電流就轉(zhuǎn)換成直流量，濾波處理后通過簡單的計算就可求出電流矢量與電壓矢量的相對角度及幅值，再通過查表或計算就可確定補償量（與死區(qū)時間、二極管壓降、IGBT壓降有關）及補償方向。

4 結語

　　SVPWM 控制輸出電壓比正弦波調(diào)制提高15% ， 提高了電源電壓利用率， 采用TMS320LF2407A實現(xiàn)SVPWM優(yōu)化控制，實時性好。風光變頻調(diào)速器經(jīng)過多年的發(fā)展，其控制算法不斷優(yōu)化，功能不斷完善，實際應用中得到廣大用戶的好評，在冶金、電力、煤礦、發(fā)酵等行業(yè)得到廣泛應用，并在2007年被評為國家名牌產(chǎn)品。