基于DSP的异步电机SVPWM控制系统及优化研究

于国庆，张 颖，李永伟，韩京津，袁 涛，张华英

（1.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018；3.石药集团中诺药业（石家庄）有限公司，河北石家庄 050041）

基于DSP的异步电机SVPWM控制系统及优化研究

于国庆1，张 颖2，李永伟2，韩京津2，袁 涛2，张华英3

（1.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018；3.石药集团中诺药业（石家庄）有限公司，河北石家庄 050041）

以TMS320LF2407型DSP为控制核心构建一全数字化空间电压矢量脉宽调制控制系统，阐述了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）的基本原理和控制实现方法，针对感应电机负载特性，对开关损耗和谐波特性2个方面进行分析，提出适于感应电机负载的优化策略。最后用Matlab的Simulink对异步电动机的SVPWM的控制系统进行仿真，仿真结果表明该系统可提高能量的利用率，谐波减少，结构简单，便于控制，同时具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高等优点。

异步电机；电压空间矢量脉宽调制；数字信号处理；开关损耗；谐波特性；Simulink

矢量控制作为一种先进的控制方法，被广泛应用于电机的控制领域。它主要是将异步电机的模型转换成直流电机的模型，目的是使异步电机的控制效果达到直流电机的控制效果。而专用于电机的出现克服了异步电机矢量控制中繁琐的运算，并实现了系统的数字化。在众多矢量控制方法中，电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）具有电流谐波少、转矩脉动小、噪声低、控制电路简化及系统的可靠性高等优点。笔者以TI公司生产的专用于电机控制的TMS320LF2407型DSP为控制核心，并在此基础上进行了数字化SVPWM变频调速控制系统的研究。

1 SVPWM原理

SVPWM是以三相对称正弦波电压供电时三相异步电机定子理想磁链圆为参考标准，用三相逆变器开关的不同模式作适当的切换，所形成的实际磁链矢量来追踪其标准磁链圆，从而形成PWM波。与传统的SPWM方法相比，SVPWM方法将逆变系统和异步电机作为整体来考虑，模型比较简单［1］。三相电压型逆变器结构如图1所示，V1—V6为开关管。逆变器输出的合成电压空间矢量表达式如式（1）所示。

图1中6个开关管有8种允许的开关组合，假设晶体管导通用 “1”表示，截止用 “0”表示，并依a，b，c相序依次排列，则这8种工作状态可相应表示为U1（001），U2（010），U3（011），U4（100），U5（101），U6（110），U7（111）与U0（000）。根据电机模型，这8种状态可以用矢量关系表示，图2为三相电压型逆变器的电压空间矢量。从图2可以看出，U1—U6是6个非零矢量，U0，U7是2个位于原点的零矢量。SVPWM的目的就是通过控制这6个功率开关的8种工作状态来实现任意时刻电机工作所需要的电压矢量。

2 SVPWM调制优化方案

针对感应电机的负载特性，本设计主要从降低开关损耗和谐波损耗2方面进行优化。SVPWM调制过程中，根据2个零矢量的不同匹配方式可以产生多种不同特性的PWM波形。SVPWM的调制方法有连续的SVPWM调制和不连续的SVPWM调制方法，而不连续的SVPWM调制又分为非对称性调制和对称性调制。本设计采用的对称调制的方式：在奇数扇区内，选用矢量电压U7；在偶数扇区内，选用矢量电压U0。这种调制方式可以将开关损耗降低41%，并且其电压的利用率高，开关频率低。

根据电流谐波的特性，定义相谐波电流有效值在1个周期内的输出频率的平均值如式（2）所示。

根据电机学的原理和参考文献［3］，可知上述的调速方式有更宽的调制比变化范围（m＞0.72）。此时谐波损耗和谐波转矩脉动较小。因此这种优化方案能达到降低开关损耗和谐波损耗的目的。

3 系统硬件设计

本系统采用主回路为电压型的“交—直—交”变频结构，主要由整流电路、滤波电路以及智能功率模块（IPM）组成，控制电路由TMS320LF2407芯片为核心，采用电压空间矢量算法生成PWM波形［4］。检测电路包括电流检测单元和转速检测单元，DSP用于控制各相电流采样、转速采样并计算电机的转速和位置；最后运用矢量算法得到电压空间矢量脉宽调制的信号，输出6路PWM波形，经过光耦隔离驱动保护电路输送给逆变器的功率开关器件驱动异步电机［5］。图3为基于DSP的异步电机控制系统的结构框图。

4 系统软件设计

系统软件控制程序主要由主程序和SVPWM中断服务子程序组成。主程序主要完成DSP的初始化、参数设定和故障判断。SVPWM中断服务子程序主要完成电流、转速的采样，进行矢量变换以及输出SVPWM波形。系统的软件控制程序流程图如图4、图5所示。

图3 系统结构框图Fig.3 Diagram of system structure

5 SVPWM的Simulink仿真及结果

为了更好地验证模型的正确性，应用Matlab中的Simulink对异步电机的SVPWM控制系统进行仿真。SVPWM的合成算法主要分为以下几步。

在SVPWM调制时以Vref在二维静止坐标系α轴和β轴的分量Vα和Vβ以及PWM周期T作为输入［6］。T1，T2和T0为一个扇区内2个非零矢量和零矢量的作用时间。

1）要判断矢量Vref所处的扇区。分析Vα和Vβ的关系，可得到如下的规律：定义3个变量A，B，C。如果因此，扇区N＝A＋2B＋4C。

2）为了方便表示6个扇区内的电压矢量合成，定义了3个辅助变量X，Y，Z。定义如下：

3）计算不同扇区的T1，T2，取值参考见表1。

4）计算矢量切换点Tcml，Tcm2，Tcm3。根据空间矢量切换点导通晶闸管产生PWM波形。图6为第3扇区的三相PWM 调制模型，以其为例得矢量切换点的计算公式为Ta＝（T0－T1－T2）／4，Tb＝（Ta＋T1／2），Tc＝（Tb＋T1／2）。其他扇区同理可以求得，整理结果如表2所示。

图6 第3扇区的三相PWM调制模式Fig.6 The three-phase PWM mode of the third sector

表1 T 1，T 2 取值表Tab.1 Value table of T 1，T 2

表2 各扇区切换点Tab.2 Switch points of each sector

根据以上模型的建立结合一台三相异步电机进行仿真。异步电机的参数设置如下：线电压为380 V；额定频率为50 Hz；定子内阻为0.087Ω；定子漏感为0.8 m H；转子内阻为0.228Ω；转子漏感为0.8 m H；定、转子漏感为34.7 m H；极对数为2。仿真方法选择Variable-step（可变步长），仿真时间设为3 min。运行模型得到系统的输出，包括电机转速、电磁转矩、相电压等，输出如图7、图8、图9所示。

实验结果分析：在仿真的基础上采用基于TMS320LF2407型DSP设计的控制系统对三相异步电机进行调速实验。三相异步电机为J02型，Y型接法，额定转速为1 430 r／s，额定电压为380 V，额定电流为4.98 A。

图10为采用此优化方案时产生的相电压、相电流的实验波形。图中IGBT的开关频率为10 k Hz，逆变器的输出频率为50 Hz。由波形uVS1可知，在区域a内VS1持续导通5.5 ms，区域b内VS1持续导通5.5 ms，占输出电压周期的1／6，开关次数是原来的2／3，从而降低了开关损耗；由iVS1波形可知，在区域a内，A相桥臂IGBT无开关动作，从而降低了开关次数，进一步减少了开关损耗。因此，验证了此方案的正确性和可行性。

6 结 语

在SVPWM原理的基础上，以TMS320LF2407型DSP为控制核心，开发了一种基于SVPWM的全数字化异步电机矢量控制的优化方案，并对该控制系统进行了Simulink的建模仿真研究。仿真结果表明：采用此优化方案可以有效地降低开关损耗、谐波损耗和电机转矩脉动。该方案电磁转矩和电流的波动较小，直流电压利用率高，控制系统具有良好的动、静态性能，控制算法利用DSP可实现数字化电机控制。

［1］ 李 斌，李 媛，杨奎河.家用电器空间矢量逆变器及其过调制策略［J］.河北科技大学学报（Journal of Hebei University of Science and Technology），2003，24（1）：48-50.

［2］ ZHOU Juan，WU Xiao-jie，GENG Yi-wen，et al.Simulation research on a SVPWM control algorithm for a four-leg active power filter［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2007，17（4）：590-594.

［3］ 王金东，张和生.感应电机优化SVPWM 调制策略研究［J］.电力电子技术（Power Electronics Technology），2009，43（9）：55-57.

［4］ 贺代春，刘教民，王震洲.基于DSP的高速数据采集系统的研制［J］.河北科技大学学报（Journal of Hebei University of Science and Technology），2004，25（4）：48-50.

［5］ SHIREEN W，VANAPLLI S，NENEB H.DSP based inverter control for alternate energy systems［J］.Journal of Power Sources，2007，166（2）：445-449.

［6］ 范心明.基于SIMULINK的SVPWM 仿真［J］.电气传动自动化（Electric Drive Automation），2009，31（3）：19-21.

DSP-based SVPWM vector control system of asynchronous motor and its optimization

YU Guo-qing1，ZHANG Ying2，LI Yong-wei2，HAN Jing－jin2，YUAN Tao2，ZHANG Hua-ying3
（1.College of Information Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.College of Electrical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；3.Zhongnuo Pharmaceutical（Shijiazhuang）Company Limited，CSPC，Shijiazhuang Hebei 050041，China）

With TMS320LF2407 DSP as control core of a digital space voltage vector control system，this paper expounds the basic principle of SVPWM and control method，and then according to the load characteristics of induction motor and the analysis of switch loss and harmonic characteristic，an optimization strategy suitable for load of induction motor is proposed.Finally，simulations are made for asynchronous motor SVPWM control system by using the Simulink in the MATLAB.The simulation results show that this system has a lot of advantages which can improve energy utilization and reduce harmonic.The structure is simple and easy to control，and has the characteristics of small torque ripple，low noise，and high utilization rate of voltage.

asynchronous motor；SVPWM；DSP；switch loss；harmonic characteristic；Simulink

TP343

A

1008-1542（2012）03-0258-05

2011-11-23；责任编辑:李 穆

于国庆（1969-），男，山东宁津人，副教授，主要从事低压动力节电技术、测控技术等方面的研究。