基于对称规则采样法SPWM波的三相电机调速系统分析

郑 杨

盐城供电公司

基于对称规则采样法SPWM波的三相电机调速系统分析

郑 杨

盐城供电公司

对称规则采样法产生SPWM具有精度高、计算简单等特点。文章首先介绍了对称规则采样法的原理，着重研究了采用对称规则采样法生成SPWM波的电机调速系统，并进行了仿真验证，基于TI公司的DSP芯片MS320F2812进行了实验验证。

SPWM波；对称规则采样法；电机调速系统

1.前言

PWM控制技术在逆变电路中的应用是最为广泛的，对逆变电路的影响也是最为深刻的。SPWM(Sinusoidal PWM)法就是其中一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM方法，被广泛用于电机控制等实际应用中，能有效抑制或消除低次谐波，使输出电压波形近似为正弦波，减少转矩脉动，扩展系统调速范围。

2. SPWM对称规则采样法原理

脉宽调制技术(PWM)是目前应用最为广泛的开关调制策略。其中正弦脉宽技术(SPWM)以其优良的传输特性成为调制策略中的基本方式，SPWM技术抑制谐波效果与载波频率有关，载波频率越高，谐波成分越少。SPWM是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。

一般SPWM波形的产生方法有如下几种：自然采样法、规则采样法、等效面积法、低次谐波消去法等。按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法，但这种方法要求解复杂的超越方程，因此在工程上实际应用不多。目前应用较广的方法为对称规则使用法。

对称规则采样法是从自然采样法演变而来的，它由经过采样的正弦波与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。这种方法只在三角波的顶点或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波。对称规则采样法原理图如图1所示。

在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断[1]。可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度δ和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。

3.采用对称规则法生成SPWM波的电机调速系统仿真

根据电机调速理论对简单电机调速系统进行建模[2]，并仿真控制一台额定电压220V，额定转速1500r/min的三相异步电机，电流仿真仿真结果可以看出在电机中流过的相电流则基本为正弦波。仿真结果验证了SPWM对称规则采样法在调速系统中应用的正确性。

4.基于DSP TMS320F2812的电机调速系统实验

实验电路主要包括主电路和控制电路两部分。其中主电路包括三相交流电源、不控整流电路、逆变器、均流电抗器、永磁同步电机和电机负载；控制电路包括上位机、DSP控制电路、驱动电路、采样调理电路和保护电路。从电源处取得三相工频380V交流电，经过三相调压器后得到可调节幅值的三相工频交流电。不控整流电路选择不控整流模块MDS60作为功率变换器件，只需输入三相交流电就可以获得直流电，经大滤波电容滤波后供后级电路使用，调节交流输入幅值即可调节直流电压幅值。经过不控整流电流得到稳定的直流母线电压，之后通过三相逆变器把直流电逆变为频率可变的三相交流电以驱动异步电机。

本文的控制算法较为复杂，对微处理器的运算要求高，因此需要选用具有较高工作频率且具有丰富外设的控制芯片。本实验选择了TI公司生产系列DSP芯片MS320F2812具有两个独立的事件管理器(EVA和EVB)，可以为功率开关器件提供PWM脉冲信号。通过配置事件管理器内相关寄存器可以得到6路占空比可调的PWM信号，实现SVPWM输出；配置捕获单元(CAP/QEP)相关寄存器可以对光电编码器信号计数，从而得到电机的转速信号及转子的准确位置信号；配置A/D模数转换电路相关寄存器，可以实现对电流电压等电气数字量的采样。配置GPIO相应的寄存器可以实时输出程序的数字运算结果，以便对各个物理量或者状态进行监测。为方便进行控制系统调试或者配合控制，通过配置通信接口SCI可以实现与上位机或者下位机的通信。

图1 规则采样法说明图

在TMS320F2812中，有三个全比较单元， 1个计数寄存器和三个比较寄存器，3个比较寄存器分别为CMPR1、CMPR2、CMPR3，生成6路PWM信号。芯片内计数器采用连续递增递减模式计数，当计数器在0到计数周期这段增计数周期内，计数器的值与比较寄存器的值相等时，输出电平发生一次跳变；在计数器达到计数周期时，计数器将开始减计数，当计数器再次与比较寄存器相等时，输出电平再次跳变。所以需要将计算出的值分别付给CMPR1、CMPR2、CMPR3。通过不断改变比较寄存器的值，就可以得到不同占空比的PWM信号来控制IGBT的导通与关断，从而实现对电机的矢量控制。

[1]王兆安， 黄俊. 电力电子基础[M].北京： 机械工业出版社， 2000.

[2]袁涛， 郑建勇， 曾伟等. IPM智能功率模块电路设计及其在有源滤波器装置中应用[J]. 电力自动化设备， 2007， 27(5)： 88-90.