svpwm在矢量控制系統(tǒng)中的應用

1、<p>　　SVPWM在矢量控制系統(tǒng)中的應用</p><p><b>　　潘高超</b></p><p>　?。贤ù髮W電氣工程學院，江蘇 南通）</p><p>　　摘要：隨著科學技術的不斷進步以及新型電力電子器件和微處理器的推出，交流電機控制技術在近年來取得了巨大的進步，它以其優(yōu)異的調速性能和高效節(jié)能效果，已逐步取代直流電機在國民

2、經濟各領域中的應用。而基于異步電機矢量控制的變頻調速系統(tǒng)因具有直流電機無可比擬的調速精度、調速范圍和更快的響應速度，目前已經成為國內外學者研究的熱點話題。本文在了解交流電機調速技術的現狀和發(fā)展趨勢的基礎上，進一步探討空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）技術的基本原理以及算法實現，并以DSP作為主控芯片，從硬件電路和軟件程序兩方面詳細分析SVPWM在矢量控制系統(tǒng)中的應用。</p><p>　　關鍵詞：交流變頻調速，S

3、VPWM，矢量控制，DSP</p><p>　　中圖分類號 TM464 文獻標識碼 A</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　交流電機調速系統(tǒng)的矢量變換技術是20世紀70年代開始迅速發(fā)展起來的一種新型控制思想。它通過將定子電流分解成相互獨立的勵磁電流和轉矩電流,從而使交流電動機在很大程度上類似于直流電機,大大簡化

4、了控制的難度,并獲得了較好的控制效果。異步電機是一個多變量、非線性、強耦合的復雜系統(tǒng)，很難對電機的轉矩與轉速進行實時控制，直到20世紀70年代才有了突破性進展，首先是隨著電子電子技術和微型計算機技術的迅猛發(fā)展，新型電力電子元器件相繼出現，為交流電動機的控制提供了高性能的電力電子功率變換裝置，并且因其價格低廉，在工業(yè)生產中被大量采用。其次是交流電動機的控制理論有了新的突破，尤其是磁場定向矢量控制理論與直接轉矩控制方法、非線性解耦控制方法等

5、，為交流調速傳動奠定了理論上的基礎。</p><p>　　變頻調速技術涉及電子、電力、電工以及信息與控制等多個學科領域，在計算機技術、電力電子技術和自動控制技術的驅動下，以變頻調速技術為代表的交流調速技術取得了飛速的發(fā)展。交流變頻調速克服了直流調速傳動的一些固有缺點，發(fā)揮了交流電動機諸如結構簡單、經濟可靠、堅固耐用、動態(tài)響應好的優(yōu)勢，同時也很好地解決了交流電動機非線性、高耦合等問題。交流變頻調速技術擁有優(yōu)異的調速

6、性能、顯著的節(jié)能效果以及在工業(yè)控制領域的廣泛適用性，代表著現代電氣傳動的發(fā)展方向，它為改善電機控制性能、提高產品的產量和質量、節(jié)能降耗提供了至關重要的途徑。其中，異步電動機變頻調速因具高效率、寬范圍和高精度等特點，被公認為最有發(fā)展前途的調速方式。</p><p>　　異步電動機變頻調速系統(tǒng)以微型計算機裝置為控制核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在現代自動控制理論的指導下組成交流電氣傳動控制系統(tǒng)，以達到控制異

7、步電機位置或轉速的目的。異步電機是一個多變量、非線性、強耦合的復雜系統(tǒng)，很難對電機的轉矩與轉速進行實時控制，直到20世紀70年代才有了突破性進展，首先是隨著電子電子技術和微型計算機技術的迅猛發(fā)展，新型電力電子元器件相繼出現，為交流電動機的控制提供了高性能的電力電子功率變換裝置，并且因其價格低廉，在工業(yè)生產中被大量采用。其次是交流電動機的控制理論有了新的突破，尤其是磁場定向矢量控制理論與直接轉矩控制方法、非線性解耦控制方法等，為交流調速傳

8、動奠定了理論上的基礎。</p><p>　　異步電機調速技術的發(fā)展除了有賴于電力電子和控制理論的發(fā)展，還需值得一提的是脈寬調制技術。它是通過利用全控型電力電子器件的導通與關斷把直流電壓變成一定規(guī)律的電壓脈沖序列，實現變頻、變壓控制以及達到消除諧波的目的。交流調速系統(tǒng)中采用PWM技術不僅可以準確的實現控制要求，并且能夠抑制逆變器輸出電流或電壓中的諧波分量，從而降低或消除電機在變頻調速過程中的轉矩脈動，進而提高電機的

9、工作效率，擴大調速系統(tǒng)的調速范圍。就目前而言，采用高速電力電子功率器件的電壓型PWM變頻器的主要控制技術有：①基于正弦波和三角波脈寬調制的SPWM控制；②基于消除指定次數諧波的HEPWM控制；③基于電流滯環(huán)跟蹤的CHBPWM控制；④電壓空間矢量SVPWM或稱磁鏈軌跡跟蹤控制。</p><p>　　三相SPWM控制方式原理簡單、通用性強、控制與調節(jié)性能，是目前國內外在電機控制中應用最廣泛的一種控制方式，這種方法減少

10、了流入電動機的電流諧波分量，電機振動較小，對變頻壓縮機的控制效果較好，相對應的硬件與軟件技術也較為成熟。但是，這種控制方式也存在著一定的缺陷，比如直流電壓利用率低、諧波含量大、電機轉矩脈動比較大等等。</p><p>　　電壓空間矢量（SVPWM）是一種較為新穎的脈寬調制方法，其將逆變器和電機作為一個整體來看待，建立在電壓空間矢量的概念上，用基本的電壓空間矢量合成所期望的電壓空間矢量，使逆變器功率器件處于相應開關

11、模式下，并根據電機的定子電壓與定子磁鏈矢量之間的關系，控制電機定子磁鏈矢量幅值近似于恒定值、頂點的運動軌跡為圓形、平均速度可調，這樣就可以實現異步電機近似恒磁通的變頻變壓調速。從節(jié)能方面來講，這種控制方式也具有重要的意義。SVPWM相比SPWM控制方式而言，電壓利用率高出15%，并且也更適合微處理器數字控制。所以，本文會將重心放在對SVPWM矢量控制系統(tǒng)的探討。</p><p>　　2 交流電機調速技術的現狀及發(fā)

12、展</p><p>　　2.1交流變頻調速技術的發(fā)展</p><p>　　交流調速發(fā)展也存在著瓶頸，主要原因是交流電機為高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，電磁轉矩難以像直流電動機那樣通過電樞電流施行靈活的控制。針對這樣的問題，各國的學者都進行了深入的研究，德國首先在這方面取得突破。德國學者在1997年首先提出了矢量控制技術，通過坐標變換，把交流電動機的定子電流分解成轉矩分量和勵磁分量，用來

13、分別控制電動機的轉矩和磁通。這樣就可以將三相異步電機等效為直流電動機來控制，同樣可以獲得與直流調速系統(tǒng)相仿的高動態(tài)性能。然而隨著電力電子技術的發(fā)展，新型電力電子器件的不斷涌現，微處理器的進步以及現代控制理論的不斷創(chuàng)新，矢量控制技術逐漸成熟,并得到實用化。</p><p>　?。?）電力電子技術：</p><p>　　二十世紀六十年代發(fā)展起來的電力電子技術是直流電動機實現無刷的基礎。從早期G

14、TO、GTR等半控型器件唱主角，到MOSFET、IGBT等全控型器件的相繼問世，直到現今的IPM(智能功率模塊)等新型功率器件。新型器件的不斷發(fā)展，使各種功率器件的功率等級和性能得到不斷提高。</p><p>　　正是這些功率器件組成的換流裝置替代了直流電機上的電刷和換向器，使得各種PWM調制方式得以實現。而較高的開關頻率(頻率大于10kHz)也使得電機的動態(tài)性能更加完善可靠，降低了開關噪聲。IPM就將IGBT封

15、裝為一個完整的逆變器模塊，且封裝了驅動和保護電路，使得電路設計變得簡單，實現小型輕量化和智能化，目前的伺服驅動器中大多都應用IGBT和IPM模塊。</p><p>　?。?）微計算機技術：</p><p>　　二十世紀后半葉最令人矚目的當屬計算機技術的迅猛發(fā)展，各大廠商基于各種單片機，設計了大量的電機專用控制芯片，從8位機、16位機發(fā)展到32位機，運行頻率由幾兆赫茲到現在的上百兆赫茲，運算

16、速度的成倍提高，使傳統(tǒng)的模擬控制方法已逐漸被以微處理器為核心的數字控制方法所取代，因此各種先進復雜的控制策略得以現實。</p><p>　　DSP(數字信號處理器)原是用于信號處理領域的芯片，由于其極強的數字處理能力，現在也被用于電機控制性能要求高的領域，來完成日益復雜的控制算法。TI、AD、Motorola等DSP廠商將用于電機控制的各種外圍器件封裝于DSP中，生產出電機控制的專用DSP芯片，簡化了硬件設計電路

17、，提高了可靠性。</p><p>　　2.2國內外研究現狀</p><p>　　1971年,德國西門子公司的F.Blascheke提出了異步電動機轉子磁場定向矢量控制的方法，把原本復雜的異步電動機等效為簡單的模型,在一定程度上實現了勵磁電流和轉矩電流的解耦，使異步電動機的控制性能與直流電機相媳美。矢量控制理論的提出和成功應用，開創(chuàng)了用交流調速系統(tǒng)代替直流調速系統(tǒng)的時代，激發(fā)了人們研究高性能

18、交流調速系統(tǒng)的積極性，八十年代很多新的控制策略和方法也相繼提出并被采用。</p><p>　　1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出的新的交流電機控制理論一直接轉矩控制，它與以往的矢量控制的解耦控制方法不同，不需要把電機的定子電流分解為勵磁分量和轉矩分量，而只是通過控制PWM型逆變器功率器件的切換方式,控制異步電動機的瞬時輸入電壓，在保持電機定子磁鏈恒定的條件下，控制異步電機定子磁鏈的瞬時旋轉速度

19、，來改變它對轉子的瞬時轉差率，直接控制電機的瞬時電磁轉矩及其變化率,得到電機的快速動態(tài)響應。1986年日本學者Takahashi教授也提出了類似的控制方案，并取得了很好的控制效果。</p><p>　　除此之外，很多學者還把現代控制理論的成果，例如狀態(tài)觀測器、滑模變結構控制、模型參考自適應控制、模糊控制、非線性反饋解耦控制等方法用于交流傳動系統(tǒng)的控制，以獲得更好的交流傳動系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。</p>

20、<p>　　在控制技術方面，早期的交流調速系統(tǒng)都是采用模擬控制器，因為要完成比如坐標變換等復雜的在線運算，所以電路十分復雜。從八十年代開始，控制器經歷了8位微機、16位微機到32位微機和高速數字信號處理器(Digital Signal Processor)三個階段的發(fā)展，實現了全數字化控制系統(tǒng)，不但大大簡化了控制電路，還使系統(tǒng)的可靠性、可使用性、可維修性得到了很大的改善，并且使交流調速系統(tǒng)的功能更加完善，使用更加方便。<

21、;/p><p>　　目前大容量和特大容量的調速對象已經可以被應用到高性能交流調速系統(tǒng)中，裝置的功能指標問題和高壓變流技術問題也都隨之解決，填補了直流調速系統(tǒng)在特大容量傳動方面的空白，同時具有很高的可靠性及連續(xù)運行的能力，可連續(xù)運行數萬小時而不用停機檢修，滿足了某些對可靠性有特殊要求和長期不能停機檢修部門的需要，并且能實現高性能、高精度的轉速控制，調速精度可以達到0.1%。 </p><p>　

22、　隨著電力電子技術、微電子技術和稀土永磁材料的快速發(fā)展，高性能電機控制系統(tǒng)不斷地更新，成本不斷地降低，新型電機不斷地出現，交流電機控制系統(tǒng)正不斷地取代直流電機控制系統(tǒng)，交流變頻調速技術發(fā)展也越來越快。</p><p><b>　　3 矢量控制原理</b></p><p>　　矢量控制也稱為磁場定向控制，其實現原理是通過測量和控制三相異步電動機的定子電流矢量，再根據磁場

23、定向原理分別對其勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體方法就是將三相異步電動機的定子電流經過坐標變換轉變?yōu)楫a生磁場的勵磁電流和產生電機轉矩的轉矩電流，然后分別對兩個分量的幅值和相位進行控制，其控制效果就是實現了對定子電流矢量的控制，故稱之為矢量控制。矢量控制的本質就是將三相異步電機模型等效轉化為直流電機模型來控制，從而使它的靜態(tài)性能和動態(tài)性能能夠直流調速系統(tǒng)一樣優(yōu)越。矢量控制的原理框圖如圖1所示。</p

24、><p>　　圖1 矢量控制原理框圖</p><p>　　異步電機空間矢量控制技術的核心是坐標變換，如圖2所示，其坐標變換由CLARK變換、PARK變換組成。進行坐標變換必須遵循以下兩個原則:坐標變換前后的系統(tǒng)電機功率相等；在不同的坐標系下電機繞組所產生的合成磁動勢相等。</p><p>　　圖2 電機坐標變換示意圖</p><p>　?。?）C

25、LARK變換</p><p>　　在三相靜止繞組A、B、C與兩相靜止繞組、之間的變換，或稱三相靜止坐標系與兩相靜止坐標系之間的變換，稱為CLARK變換，簡稱為3/2變換。</p><p>　　圖3中繪出了A、B、C與、兩個坐標系。為了方便分析起見，取A軸與軸重合。假設三相繞組的每一相有效匝數是,兩相繞組每一相有效匝數是，每一相磁動勢等于電流與有效匝數的乘積，對應空間矢量均位于相關的坐標軸上

26、。</p><p>　　設磁動勢是呈正弦波形分布的，所以由坐標變換的原則可知，當滿足三相總磁動勢等于兩相磁動勢時，有:</p><p>　　即三相靜止坐標系中各相磁動勢在兩相坐標系坐標軸上的投影之和分別等于兩相坐標系各個軸上的磁動勢，或者說，兩套繞組瞬時磁動勢在、軸上相等，寫矩陣形式為:</p><p>　　考慮變換前后的功率不變，在此前提下，可以證明匝數比為:&l

27、t;/p><p><b>　　令</b></p><p><b>　　則有</b></p><p>　　上式即為CLARK變換，式中矩陣稱為從三相坐標系變換到兩相坐標系的CLARK變換矩陣。</p><p><b>　?。?）PARK變換</b></p><p&

28、gt;　　由兩相靜止坐標系、到兩相旋轉坐標系d、q之間的變換稱為兩相-兩相旋轉坐標變換，或PARK變換，簡稱變換。把這兩個坐標系組合在一起，即得圖4。圖中交流電流、和直流、，產生相同的以同步轉速合成磁動勢中的有效匝數，用電流直接表示，例如可以直接標成。但必須注意，這里的電流都是空間矢量，而不是時間向量。</p><p>　　在圖2.3中d、q軸和矢量都是以轉速旋轉，直流、的長度不變，相當于d、q繞組產生的直流磁動

29、勢。但是、軸是處于靜止狀態(tài)，軸與d軸的夾角隨時間而改變的。因此，在、軸上的電流分量、的長短同樣是隨時間變化而改變的，相當于、軸繞組產生的交流磁動勢的瞬態(tài)值。</p><p>　　圖3 三相靜止坐標系與兩相靜止坐標系之間的變換圖</p><p>　　圖4 兩相靜止坐標系和旋轉坐標系之間的變換圖</p><p>　　由圖4可見，、和、之間的關系如下：</p>

30、<p><b>　　寫成矩陣為</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　是兩相旋轉坐標系變換到兩相靜止坐標系的變換陣。對式子兩邊都左乘以變換矩陣的逆矩陣,得到:</p><p>　　則兩相靜止坐標變換到兩相旋轉坐標系的變換矩陣是:</p><p>　　電壓

31、和磁鏈的旋轉變換陣均與電流旋轉變換矩陣相同。</p><p><b>　　4 SVPWM原理</b></p><p>　　電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術是把交流異步電機和逆變器當做一個整體，以獲得圓形旋轉磁場為目的從而來控制逆變器的工作狀態(tài)，從而實現交流電機的變頻調速，這種控制方法中磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量來實現的。SVPWM的實現就是以

32、產生的合成旋轉磁動勢相等的原則，在一個周期內對基本電壓空間矢量進行不同的組合，使其組合成矢量等于給定的電壓矢量。當電壓矢量旋轉到某個一個空間區(qū)域中，可以通過該區(qū)域中相鄰兩個的非零矢量和零矢量的組合來實現。矢量的作用時間在一個采樣周期內進行多次施加，通過控制各電壓矢量的在每個區(qū)域的作用時間，使產生的電壓空間矢量按接近圓形軌跡旋轉。通過逆變器在不同開關狀態(tài)下所產生的實際磁通去逼近理想圓形磁通，同時由二者的比較結果來判斷和決定逆變器不同時刻的

33、開關狀態(tài)，最后產生PWM波形?？臻g電壓矢量控制技術是一種比較新穎的交流電機變頻調速控制方法，用逆變器不同的開關模式產生的實際磁場去逼近基準圓磁場，使得輸出的電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。 </p><p>　　圖5 三相電壓型逆變器主電路</p><p>　　在異步電機矢量控制系統(tǒng)中，通常采用電壓型逆變器，其主電路圖如圖5所示。其中每一個橋臂有上、下兩個功率開關器件，六個功率開關器件

34、的狀態(tài)決定了電動機的相電壓。但是這六個功率開關器件的開關必須遵守以下原則： </p><p>　　（1）任何時刻，處于開狀態(tài)和關狀態(tài)開關器件數目必須是3； </p><p>　?。?）同一臂橋上的兩個功率開關器件必須由互補信號控制，即不能同時導通。</p><p>　　若規(guī)定每個橋臂上管導通且下管關斷時為“1”，而下管導通且上管關斷時為“0”。因為每個橋臂有“1”和

35、“0”兩種狀態(tài)，故三組開關共有8種可能的開關組合，因此定義開關函數如下：</p><p>　　由三相逆變電路可知，三組功率晶體管有8種可能開關狀態(tài)。不同組合下產生的瞬時輸出線電壓和相電壓如下表1所示，其中為直流母線電壓。</p><p>　　由三相到兩相的變換可以得到在坐標系下的定子電流關系為：</p><p>　　通過這個變換矩陣，就可以將三相 ABC 平面坐標系

36、中的相電壓轉換到平面直角坐標系中，得到它的矩陣形式如下：</p><p>　　表1 不同開關模式下輸出線電壓和相電壓</p><p>　　由于逆變器的8種開關組合，因此、也只有8種對應關系，不同開關狀態(tài)對應的、的相電壓的瞬時值如表2所示。</p><p>　　三相逆變器的6個開關管可以控制形成8種基本電壓空間矢量，其對應關系如表2所示。8個基本電壓空間矢量包括6個有

37、效的電壓空間矢量以及兩個零電壓空間矢量和。當逆變器的上半橋開關管或者下半橋開關管全部導通時，此時電動機的三個端點短接在一起，故電壓矢量幅值為0。但是，這兩個零電壓矢量的存在為PWM設計控制策略增加了一個自由度。因此，6個彼此相差60°的非零矢量均勻分布在坐標系上，把坐標系分成了6個扇區(qū)，扇區(qū)編號逆時鐘依次為Ⅰ～Ⅵ，扇區(qū)用來確定參考矢量的位置。三相逆變器輸出電壓空間矢量圖如圖6所示：</p><p>　　

38、表2 開關狀態(tài)與、相電壓和矢量關系</p><p>　　圖6 電壓空間矢量圖</p><p>　　5 SVPWM矢量控制系統(tǒng)</p><p>　　矢量控制為高性能異步電動機控制系統(tǒng)提供了理論依據，但是系統(tǒng)中的控制電路所采用的微處理器性能將直接影響系統(tǒng)性能。實踐表明，采用高性能微處理器實現的異步電動機控制系統(tǒng)是簡化系統(tǒng)結構、完善系統(tǒng)功能、實現復雜有效控制策略以及提高控

39、制系統(tǒng)可靠性的重要手段。</p><p>　　在異步電動機控制中，DSP所特有的高速計算能力可以用來增加采樣頻率，完成復雜信號處理和實現控制算法，比如PID算法、卡爾曼濾波、FFT、狀態(tài)觀測器、無模型自適應控制等,均可利用DSP在較短的采樣周期內完成。此外，電機控制專用DSP具有PWM生成功能:可產生高分辨率的PWM波形，靈活實現各種PWM控制模式，具有多路PWM輸出功能。因TMS320F2812具有相當快的數據

40、處理能力和豐富的輸入、輸出設備及接口電路，本系統(tǒng)選用其搭建矢量控制系統(tǒng)平臺。</p><p>　　SVPWM矢量控制系統(tǒng)原理如圖7所示。通過檢測異步電動機的實際轉速，利用PI控制方案算出電磁轉矩控制量，進一步得到異步電動機定子轉矩電流參考信號。將檢測到的兩路定子相電流根據轉子磁鏈的位置，變換到兩相旋轉坐標系中與參考信號比較，再利用PI控制算法,實現對瞬時轉矩和磁鏈的控制。本系統(tǒng)為了最終獲得精確的運行結果，應用無模

41、型適應控制(MFAC)方案，對定子轉矩電流分量進行了補償。</p><p>　　對異步電動機控制來說，轉子機械轉速不等于轉子磁鏈旋轉速度，這意味著控制算法所必需的轉子磁鏈位置信號不能直接通過檢測轉子機械位置傳感器信號獲得。因此必須設計一個磁鏈觀測模塊，以電流和及電動機機械旋轉速度為輸入信號，輸出轉子磁鏈位置。</p><p>　　異步電動機的矢量控制簡單描述為以下過程。首先通過光電編碼器得

42、到電動機的轉速，并與速度參考輸入相比較，輸出送給速度外環(huán)控制器ASR，得到定子兩相電流參考輸入信號和，其中,為參考信號的勵磁分量，為參考信號的轉矩分量。再把定子三相電流、和檢測出來送到變換模塊，得到電流信號和P。這兩個分量作為輸入變量送給變換模塊,將其變換到MT旋轉坐標系中，得到的和分別與參考信號和相比較并進行PI控制，并通過無模型自適應控制(MFAC)模塊對定子電流T軸分量進行補償。得到的輸出量為和被送往逆變換模塊,得到坐標系中的輸出

43、量和。電壓空間矢量(SVPWM)模塊根據這兩個輸入量計算實際PWM信號的占空比，輸出正確的PWM信號驅動逆變器。應該注意的是，無論是變換還是逆變換，都需要知道轉子磁鏈的確切位置，圖7所示的磁通觀測器可以計算出這個位置。速度外環(huán)產生了定子電流的參考值，電流內環(huán)得到的實際控制信號，共同組成完整的速度一電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖7 SVPWM矢量控制系統(tǒng)原理圖</p><p>

44、　　5.1 SVPWM矢量控制系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　本系統(tǒng)是轉速、電流流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。DSP控制器負責A/D轉換、計算異步電動機的轉速和位置，最后運用矢量控制算法，得到電壓空間矢量PWM控制信號，再經過光耦隔離電路驅動IPM功率開關器件。DSP控制器還負責系統(tǒng)的保護和監(jiān)控，當系統(tǒng)出現過壓、過流、欠壓等故障時，DSP將封鎖PWM輸出信號以保護IPM模塊?；赥MS320F2812DSP電機控制實驗開發(fā)

45、平臺的硬件結構原理框圖如圖8所示。從圖中可以看出，整個系統(tǒng)硬件主要由主回路、控制電路、有用信號的檢測電路等幾部分構成。</p><p>　　主回路是實現控制系統(tǒng)功率變換的核心部分，主要包括整流電路、濾波電路和逆變電路，當三相交流電經全波整流電路為包含有脈動的直流電壓，要想獲得平滑穩(wěn)定的直流電壓就需要對直流電壓脈動進行濾波處理，為逆變電路提供穩(wěn)定的直流母線電壓，通過對逆變電路的控制就可以實現對異步電機的電壓和頻率調

46、節(jié)，從而達到調節(jié)控制異步電機轉速的目的。如圖9所示即為系統(tǒng)主電路，它主要完成對電壓的交—直—交(AC—DC—AC)變換。本系統(tǒng)主電路設計采用的電壓源型的方案，電壓源型是通過電容器來濾波儲能的，整流部分采用不可控整流橋，逆變部分選用智能功率模塊(IPM)。</p><p><b>　　圖8 系統(tǒng)硬件框圖</b></p><p><b>　　圖9 系統(tǒng)主回路&l

47、t;/b></p><p><b>　?。?）整流電路：</b></p><p>　　主要功能是將電網中的交流電整流后得到逆變電路和控制路需要的直流電，在電流型整流中它就相當于是一個直流電流源，在電壓型整流電路中它就相當于是一個直流電壓源。由于采用整流元器件的差異，整流電路的形式也有多種。本系統(tǒng)采用的是由二極管組成的不可控整流橋整流電路，因為二極管不具有開關功能

48、，整流橋的輸出電壓值取決于輸入電源電壓的幅值。交流220V電經過過流過壓保護電路接入到橋式整流電路中，最后轉變成直流脈動電壓。</p><p><b>　?。?）濾波電路：</b></p><p>　　為了減少整流電路輸出直流電壓的脈動，需要在整流橋的輸出端接以大容量電容對其進行濾波處理，以保正最后輸入逆變電路的母線電壓為的大小的恒定直流電壓。同時可以在直流回路中串聯

49、了一個用于平波和保護的電感。本系統(tǒng)中濾波電容采用兩只耐壓較高的電解電容串聯。</p><p><b>　?。?）逆變電路：</b></p><p>　　逆變電路中常用的智能功率模塊(IPM)為目前電動機調速控制系統(tǒng)和變頻器中不可缺少的功率開關器件，它功能強大并且控制性能非常好，不僅能夠為電路提供功率輸出，同時還具有傳感檢測、邏輯控制和自診斷等功能。</p>

50、<p>　　控制電路由DSP最小系統(tǒng)電路、上位機通訊接口電路、仿真接口電路、PWM信號發(fā)生電路、A/D、D/A轉換電路等組成。本系統(tǒng)最小系統(tǒng)由F2812DSP本身和EEPROM、復位電路、晶振、譯碼電路組成；上位機通訊接口電路是為了完成與上位機的通訊功能，通過SN75ALS176A構成了RS485協議下串行通訊模塊；仿真接口JTAG電路與DSP仿真器連接實現在線仿真,同時在調試過程裝載數據和代碼；PWM信號發(fā)生電路是F28

51、12內部集成可產生6路具有可編程死區(qū)SVPWM信號；A/D、D/A轉換電路控制系統(tǒng)里的電壓、電流信號以及軟件中數字量輸入、輸出。圖10為系統(tǒng)控制電路框圖。</p><p>　　圖10 系統(tǒng)控制電路</p><p>　　檢測電路是用來檢測和實時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，并將各部分工作狀況經過轉換處理后反饋給 F2812 DSP芯片。同時，DSP主控制芯片將按照預定控制流程，然后為控制系統(tǒng)各功能模塊提

52、供控制信或保護信號，這樣就能及時地控制系統(tǒng)輸出以及有效地保護電機和電路系統(tǒng)。檢測電路的檢測信號通過各自的傳感器電路傳送到DSP芯片的信號輸入引腳，經過預定算法處理后給相應功能模塊發(fā)送控制信號。檢測電路包括電流檢測、電壓檢測和轉速檢測電路。</p><p>　?。?）電流檢測電路：</p><p>　　電流檢測電路主要是對三相異步電機的各相定子電流的檢測，本系統(tǒng)中異步電機采用的是三相對稱Y型

53、接法，由可知，只需測量任意兩相的定子電流即可得到第三相的定子電流，接下來就可以進行坐標變換過程。本系統(tǒng)采用ACS712霍爾效應電流傳感器來測量定子電流，它具有響應快、頻帶寬、線性好、精度高以及過載能力強的特點。電流檢測電路如圖11所示。對于TMS320F2812 DSP來說，片內包含有12位的A/D轉換模塊，因此只要把采集的模擬數據轉換為DSP安全識別范圍內模擬信號即可。</p><p>　?。?）電壓檢測電路：

54、</p><p>　　為了防止系統(tǒng)反相補償時的泵升電壓過高,同時對智能功率模塊的欠壓保護和過壓保護，因此需要加入電壓檢測電路來檢測系統(tǒng)的直流母線電壓，常用電壓檢測的方法主要有霍爾電壓傳感器法、電阻分壓法和電壓互感器法。采用電阻分壓法的檢測精度低，而電壓互感器只能測交流量，霍爾電壓傳感器的價格較高但是檢測性能非常好。本系統(tǒng)采用霍爾電壓傳感器HNV025A，其主要是利用磁補償原理測量電壓，不僅能夠測量直流、交流以及各

55、種波形電壓，同時在電氣上是高度絕緣的，其電路結構如圖12所示。電壓檢測信號經過處理轉換為DSP的A/ 轉換模塊的電壓輸入范圍0～3V之間，經數據處理后，得到檢測電壓值。</p><p>　　圖11 電流檢測電路</p><p>　　圖12 電壓檢測電路</p><p>　?。?）轉速檢測電路：</p><p>　　反饋系統(tǒng)是實現閉環(huán)控制的關鍵

56、，因此異步電機的轉子速度反饋是實現速度閉環(huán)控制的關鍵。對于異步電機的轉子速度測量信號的準確度是影響和決定整個異步電機矢量控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。TMS320F2812 DSP的EV模塊中包含有對電機轉速和位置測量的正交解碼脈沖電路(QEP)。當QEP使能后，其引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2接收光電編碼器的檢測信號的脈沖，然后QEP通過對其進行解碼和計數就能得到此刻電動機的轉子位置和轉速。如圖13所示，本文選用CFZ-600BZ-G0

57、5-26E型編碼器。啟動EVA的QEP電路的設置如下：</p><p>　?、僭O置通用定時器2或定時器4的計數器、周期和比較寄存器；</p><p>　?、谂渲肨2CON(T4CON)寄存器，使用通用定時器2工作在定向增/減模式，QEP電路作為時鐘源，并使能通用定時器。</p><p>　　圖13 編碼器接口電路</p><p>　　5.2

58、SVPWM矢量控制系軟件設計</p><p>　　系統(tǒng)軟件設計可簡單分為兩個部分:一個是系統(tǒng)的初始化，另一個是控制模塊。系統(tǒng)初始化模塊只是在系統(tǒng)上電時執(zhí)行一次,然而控制模塊在每個PWM下溢事件發(fā)生后都將從等待循環(huán)中喚醒執(zhí)行。當中斷標記設置以后，相應中斷服務程序就執(zhí)行，整個矢量控制算法都在中斷子程序中完成,其調用的頻率與PWM的輸出頻率一致。系統(tǒng)的定時器下溢中斷子程序框圖如圖14所示。根據軟件程序框圖把系統(tǒng)軟件分成

59、一下幾個部分:</p><p>　?。?）磁通觀測器模型設計</p><p>　　（2）電流和電壓的測試</p><p>　?。?）異步電動機轉速的檢測</p><p>　　（4）PI控制器與無模型自適應控制器的設計</p><p>　?。?）矢量在各坐標系間的變換</p><p>　?。?）電

60、壓空間矢量(SVPWM)的產生</p><p>　　圖14 控制模塊流程框圖</p><p><b>　　6 小結</b></p><p>　　本文闡述了交流異步電機調速系統(tǒng)的應用現狀和發(fā)展方向，在理解SVPWM和矢量控制原理的基礎上，推出了以DSP為主控芯片，結合SVPWM矢量控制系統(tǒng)的控制算法，通過軟硬件實現電壓空間矢量算法在交流電機變頻調

61、速中的應用。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]張成，王心堅，衣鵬，孫澤昌.SVPWM與SPWM比較仿真[J].機械與電子，2013（01）</p><p>　　[2]陳明弟.一種SVPWM交流調速系統(tǒng)的設計[J].商業(yè)現代化，2007（15）</p><p>　　[3]劉志強，張騰

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