基于DSP和SVPWM控制的变频调速系统设计及实现

陈粟宋

（顺德学院，佛山 528333）

基于DSP和SVPWM控制的变频调速系统设计及实现

陈粟宋

（顺德学院，佛山 528333）

0 引言

随着控制理论、交流调速理论的发展，变频调速技术获得了飞速进步。脉宽调制（PWM）技术的发展和应用促进了变频装置的高性能化，为交流调速技术的普及发挥了重要作用。PWM技术种类很多，并且正在不断发展之中。电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术的应用克服了相控原理的所有弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦波的电压和电流，提高了电机的功率因数和输出效率。现代PWM生成电路大多采用具有高速输出口HSO的单片机及数字信号处理器（DSP），通过软件编程生成PWM[1]。而德州仪器TMS320LF2407 DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，具有处理性能更好（30MIPS）、外设集成度更高、程序存储更大、A/D转换速度快等特点，对电机的数字化控制非常有用[2]。本文运用TMS320LF2407作为主控芯片，实现了全数字化的SVPWM控制变频调速系统。

1 DSP应用

DSP是高速数字信号处理专用微处理器，TMS320LF2407内核操作速率为30MIPS，采用高性能静态CMOS技术；片内集成了完善的存储器和外设：片内有32K字的Flash程序存储器，适合大部分程序要求，无需外扩。1.5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM和2K字的单口RAM，可扩展的外部存储器总共192K字空间；基于锁相环（PLL）的时钟模块、看门狗定时器(WDT)、同步串行外设接口（SPI）、异步串行通讯接口（SCI）、控制器局域网络（CAN）；双10位模数转换器，可以处理16路模拟信号，一次A/D转换最小时间500ns；40个可单独编程或复用的通用I/O引脚；5个外部中断；采用基于JTAG边界扫描的仿真技术；用于脉宽调制（PWM）控制的两个事件管理器，每个包含2个通用定时器，3个比较和捕获单元，2路与光电编码器接口的编码单元，8路PWM输出，其PWM波形生产单元包含可编程死区控制，可输出对称、非对称或空间矢量PWM波形[2,3]。

2 SVPWM算法实现

SVPWM控制技术是从电动机的角度出发，着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通[4]。它以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基准，用三相逆变器不同的开关模式产生实际磁通逼近基准磁通圆，使得磁链的轨迹靠电压空间矢量相加得到，从而达到较高的控制性能。三相逆变桥式电路的目的是按一定规律来控制三对桥臂晶体管的通断，将直流侧电压变为模拟三相正弦电压输出。因此，三相桥式主电路各桥臂通断状态有八种。定义这8种开关组合为8个特定的基本空间矢量，分别标记为V4(100)、V6(110)、V2(010)、V3(011)、V1(001)、V5(101)和2个零矢量V0(000)、V7(111)。前6个矢量位置特定，可组成一个正六边形，分别在θ=ωt=0°，60°,120°,...,且大小由直流电源电压Udc确定而不能调控，把360°区域划分为6个60°的扇区，但是无法直接获得任意相位角θ，相位角用PWM技术进行调控，这样，利用这6种电压矢量的线性组合就可以获得更多的与特定基本空间矢量相位不同的参考矢量，根据计算出的相应状态时间，控制开关管的导通与关断。

3 控制电路的设计和实现

控制电路的设计对整个变频调速节能系统起着至关重要的作用，而微控制器及其系统的设计更是关键。DSP把具有低成本、高性能DSP内核和几种最适合于电机控制应用的先进外围设备集成为一个芯片，特别适合于数字电机控制应用，是电机数字化控制的升级产品。可以为高性能传动控制提供先进可靠高效的信号处理与控制的硬件[5,6]。

图1 主控板结构图

图1即主控板结构框图。LF2407是系统的核心，它将测量板送来的电流信号、转速信号放大调理后进行A/D转换，从而控制逆变器输出SVPWM波形的电压和频率。主控板上包括DSP小系统电路、A/D采集电路、QEP转速检测电路、SVPWM输出、RS485/RS232通信接口电路、故障检测电路、液晶显示接口电路、开关量输入输出电路等。

4 检测电路的设计及实现

检测电路就是将要检测的各种信号，经过转换，变成DSP可以识别的数字信号。检测电路分为电流检测模块和电机转速和位置检测模块。这些检测信号都是通过外围的按口电路直接送到LF2407的内部接口，然后根据相应的设置，读出检测到的具体数值[6,7]。

4.1 电流检测模块

电流检测通过霍尔传感器对AB两相电流同时连续采样，经隔离放大后送到LF2407内部进行ADC转换；通常电流传感器将强电转换成弱电流信号，再经过模拟信号处理电路形成0～3.3V的单极电压信号。在本系统中，采用的传感器模块为莱姆公司的BLYT，检测A相和B相的电流，并将电流信号转换成电压信号，经放大后经低通滤波器后送入ADC。

4.2 电机转速和位置检测模块

速度检测采用光电编码器输出两个相差90°的方波脉冲，经整形送到DSP的正交编码脉冲接口单元QEP。本系统采用的是M法测速原理，即在某一采样时间内，通过对脉冲的计数来确定电机转速的大小。设采样时间为TC，光电码盘的脉冲数为pn，在采样时间内所测到的脉冲数为m，则电机转速n(r/min)为：n=60m/(Tcpn)。本系统采用欧姆龙公司的旋转编码器E6D－CWZ1E，有三路输出，分别为A相、B相、Z相；其中A与B用于测速，它们的相位差为90度，每转一圈输出1000个脉冲；而Z脉冲为每转一圈输出一个脉冲。光电脉冲编码器的A、B输出经高速光电隔离后接到LF2407的QEP3、QEP4上。

4.3 PWM输出和故障输入电路

采用SVPWM控制算法，产生6路具有可编程死区和可变输出极性的SVPWM波形，经驱动电路和光电隔离电路（6N136）去驱动逆变器模块IPM的功率器件，从而获得具有变压变频效果的正弦波形，供给电机电源。

图2 PWM隔离输出到IPM电路

PWM信号输出要求高速隔离，否则将会造成响应不及，造成短路的严重后果。要注意IPM模块的输入逻辑是反向的，所以光耦HCPL4503应接上拉电阻R32到15V使输出反向。采用负逻辑的另一个优势在于，当主控板信号线由于某种原因断线时，对应的IGBT控制端为低电平，将截至。图2为PWM隔离输出一路的信号电路图，另外的PWM输出隔离电路也相同。同理故障输入信号F0也必须要隔离后才能送到主控板。故障输入信号隔离采用普通的低速光耦TLP521。

5 系统软件设计

系统软件控制主程序主要完成DSP各功能部件的初始化、参数设定以及转速实时显示。SVPWM中断服务子程序主要完成电流值的采样，当前转速和θ值的计算，进行矢量变换以及输出SVPWM波形。

主程序主要分为两块：系统初始化和变量的初始化。系统初始化指的是DSP运行以前的初始化，包括：设置系统时钟，CPU系统时钟为30M；允许串行接收中断；初始化各种 I/O 口；AD采样初始化；设置事件管理器模块，6相PWM输出，设置死区时间，使能正交编码脉冲QEP电路；变量的初始化指的是各个变量相对应的存储单元的初始化赋值[8]。具体的主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程图

SVPWM中断服务子程序主要任务就是：

1）负责A、B两相的电流值的采样，并且实现A／D转换；

2）根据脉冲编码器传递的信息计算当前的转速和θ值；

3）根据测量值进行矢量变换和计算；

4）SVPWM输出。

6 实验结果

软件程序在TMS320F2407硬件基础上，用C语言实现了SVPWM调制。使用ccs2软件把程序通过仿真器加载到TMS320F2407A 目标板上，在给定输出频率f=50Hz、输出线电压有效值U=71V、直流母线电压Udc=400V后；通过ccs上的软件示波器观测到相电压和线电压波形如图4所示。

图4 实验波形

图4中的三个图形分别为AB相的电压、电流以及AB相的驱动电压波形。试验时电动机参数为：额定功率2750W，额定电压380V，额定电流50A，额定转速2850r/min。逆变器开关频率为2.4kHz，转速给定为314rad/s。从AB相的电流波形可以看出，SVPWM产生了近似完美的频率为30Hz的正弦波。采用DSP生成的SVPWM波，通过逆变器驱动异步电机，其运行性能良好，实现了对异步电机的实时数字化控制。

7 结论

将直流电压利用率高的SVPWM取代传统SPWM波，采用高速的DSP芯片LF2407为核心构成变频调速系统，可提高系统的响应速度。实验结果表明，逆变器输出的SVPWM 50HZ实验波形接近理想正弦波，可为电动机提供圆形磁场，输出电压谐波失真小；直流电压的利用率高。

[1]刘和平,严利平,张学锋.TMS320LF240xDSP结构原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[2]江思敏.TMS320LF240xDSP硬件开发教程[M].北京:机械工业出版社,2008.

[3]林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州:浙江大学出版社,2006.

[4]王晓明,王玲.电动机的DSP控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[5]周元志.基于DSP变频调速系统的研究[D].武汉:武汉理工大学,2004.

[6]郭鸣星.基于双CPU技术的变频调速交流电机的节能控制研究[D].武汉:武汉大学,2005.

The realization of digital vector controlled SVPWM frequency-variable speed-adjustable system

CHEN Su-song

本文运用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，开发了基于数字信号处理器芯片TMS320LF2407的全数字矢量控制变频调速系统。文中对系统硬件设计和软件流程进行了研究分析，并进行了电气控制实验。实验结果表明，该系统结构简单，控制精度高、输出波形谐波失真小、有较强的实时性。

数字信号处理；空调适量脉宽调制；变频调速

陈粟宋（1959 -），男，江西吉安人，副教授，本科，研究方向为工业自动化、计算机应用。

TM921.2

A

1009-0134(2011)5(上)-0019-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).07

2010-12-01