基于DSP的三相SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計

1、課程設計用紙i教師批閱:基于 DSP 的三相 SVPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計摘要根據(jù)電壓矢量的基本原理，利用TMS320LF2407A，對電流采 樣、速度檢測、驅(qū)動保護以及控制系統(tǒng)進行軟件設計。 設計出基于DSP控制系統(tǒng)的SVPWM的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制器。使得逆變電源 的智能化程度更高，性能更加完美。關鍵詞：DSP SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)課程設計用紙2第2章SVPWM基本原理2.1電壓空間矢量脈寬調(diào)制法（SVPWM）.32.2電壓空間矢量技術的基本原理.42.2.1三相逆變器輸出電壓的矢量表示 .42.2.2磁鏈軌跡的控制.62.3 SVPWM波的生成.7第3章系統(tǒng)方案及硬件設計 .93.1系統(tǒng)

2、方案.3.2主電路設計.3.3 PWM驅(qū)動電路3.4故障保護電路.3.5鍵盤和液晶.第4章 系統(tǒng)軟件設計 .第5章設計總結.參考文獻.16附錄 程序清單 .17第1章設計目.錯誤！未定義書簽教師批閱:錯誤！未定義書簽。.9課程設計用紙1第 1 章方案設計及論證1.1系統(tǒng)方案異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。系統(tǒng)主要由主電路 模塊和控制模塊兩部分組成。主電路采用交-直-交電壓型逆變電 路，主要由整流電路、濾波電路及智能功率逆變電路組成， 逆變電 路則由IPM模塊來完成?？刂齐娐芬訢SP為核心，完成SVPWM算法，實現(xiàn)人機交互功能，同時，DSP還監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，DS

3、P封鎖PWM輸出信號，防止發(fā)生故障 而燒壞器件，確保系統(tǒng)的安全運行。圖 1-1 系統(tǒng)框圖教師批閱:7r- 冊;13陰瞇QEPAD光輻隔離電跨課程設計用紙21.2方案論證本系統(tǒng)采用TMS320LF2407A，它是TI公司專為工業(yè)控制和 電機控制推出的系列產(chǎn)品。這款DSP將實時處理能力和控制器的 外設功能集于一身。有如下特性：靈活的指令系統(tǒng)；高速的運算能 力；大容量的存儲能力；有效的性能價格比。主要應用領域包括： 工業(yè)電機驅(qū)動；逆變電源；功率轉(zhuǎn)換器和控制器；汽車系統(tǒng)；儀表 和壓縮機電機控制；機器人和計算機數(shù)字控制機械。TMS320LF2407A具有2個事件管理器；32位中央算術邏輯單 元；32位累

4、加器；16位X16位乘法器；3個比例移位器；間接尋 址用的8個16位輔助寄存器和輔助算術單元；4級流水線操作；8級硬件操作；6個可屏蔽中斷；544字的片內(nèi)DARAM和2K字的 片內(nèi)SARAM；32K字片內(nèi)FLASH程序存儲器；64K程序存儲空 間；35.5K數(shù)據(jù)存儲空間；1/0空間64K。此外還有功能強大的外設： 串行通信接口SCI;串行外圍接口SPI；CAN總線控制器；事件 管理器EV；A/D轉(zhuǎn)換器；看門狗WD。TMS320LF2407A芯片是通過3條總線實施指令讀取、澤碼、 取操作數(shù)、執(zhí)行指令等操作。TMS320LF2407A中有兩個事件管理器EVA和EVB，它們都 有一特殊硬件一SVPW

5、M狀態(tài)機器件。 因此2407A具有兩個SVPWM狀態(tài)機。本系統(tǒng)采用EVA， 利用2407A內(nèi)部自帶的SVPWM狀態(tài)機生 成波形。教師批閱:課程設計用紙3教師批閱:第 2 章 SVPWh 基本原理2.1電壓空間矢量脈寬調(diào)制法(SVPWM)隨著電力電子器件和微電子技術的迅速發(fā)展， 以及高性能控制 方法在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應用，交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速。特 別是采用了專為電機控制開發(fā)的數(shù)字信號處理器DSP為核心的全數(shù)字化控制系統(tǒng)，為高性能的控制方法提供了可靠的硬件環(huán)境。這 種DSP集中了電動機控制所必須的可增加死區(qū)和靈活多變的多路PWM信號發(fā)生器，高速高精度ADC,以及用于電機速度和位置反 饋的編碼

6、器接口等電路。目前國內(nèi)外應用于工業(yè)生產(chǎn)領域的變頻 器，很多都把DSP作為控制核心，充分利用其高速運算能力和強 大的控制功能以實現(xiàn)高性能的變頻控制。電壓空間矢量脈寬調(diào)制方法(SVPWM)為交流電機的一種控制 方法，電壓空間矢量PWM方法和普通的正弦PWM方法不同，它 是從電機的角度出發(fā)，把電機和逆變器看作一個整體考慮，不簡單 從得到電壓電流正弦出發(fā)，著眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形 旋轉(zhuǎn)磁場，即正弦磁通。其以三相對稱正弦波電壓供電時交流電機 的理想磁通圓軌跡為基準，用逆變器不同的開關模式所產(chǎn)生的實際 磁通去逼近基準圓磁通，并由它們比較的結果決定逆變器的開關狀 態(tài)，形成PWM波形。這種控制方法稱

7、作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈 軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量實現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量PWM(space vector PWM, SVPWM)控制”。SVPWM較之于SPWM , SVPWM在輸出電壓或電機線圈的電 流都將產(chǎn)生更少的諧波，提高了對電壓源逆變器直流供電電源的利 用率。提高了電壓型逆變器的電壓利用率和電動機的動態(tài)響應性 能，同時減少了電動機的轉(zhuǎn)矩脈動，簡單的矢量模式切換更易于數(shù)課程設計用紙4字化實現(xiàn)。由于該控制方法把逆變器和異步電機看作一個整體來處理，所用到的數(shù)學模型和數(shù)字算法均很簡單， 便于微處理器實時控制，且 具有轉(zhuǎn)矩脈動小，噪聲低、直流電壓利用率高、開關頻率低的優(yōu)

8、點， 因此目前無論在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)或閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中均得到廣泛的應 用。2.2電壓空間矢量技術的基本原理2.2.1三相逆變器輸出電壓的矢量表示圖2-1所示電路為三相逆變器供電給異步電動機的原理圖。圖中有6個功率開關管，當當上橋臂開關管處于“開”狀態(tài)，下橋臂開關管處于“關”狀態(tài)時，則用“1”表示；當下橋臂開關管處 于“開”狀態(tài)，上橋臂開關管處于“關”狀態(tài)時，則用“0”表示。 三個橋臂共有000、001、010、011、100、101、110、111八種開 關模式，其中000、111開關模式使逆變器輸出電壓為零，稱這兩 種開關模式為零狀態(tài)。只要控制這些基本空間矢量的組合，同時再 將零矢量合理分配，就能

9、使瞬態(tài)輸出空間電壓矢量按一定的圓形軌 跡旋轉(zhuǎn)。電壓源逆變器可由圖2-2所示的6個開關來等效表示。如圖2-2所示，當上橋臂開通、下橋臂關斷時，即Sa=1時，U =U?2；當教師批閱:圖 2-1 三相逆變器主電路課程設計用紙5ViTiVmTmVoTo 二VoutTpwmToTiTmpwm矢量分別投影到橫、縱坐標軸，得(2.2)(2.3)(2.4)式中：=ej2：/3通過不同的矢量組合可以合成新矢量，設相鄰兩個有效矢量Vi和Vm，零矢量為Vo,合成新矢量Vout，矢量作用時間分別是Ti、Tm、Too Tpwm是PWM脈寬周期。合成新矢量的表達式為上橋臂關斷、下橋臂開通時，即Sa=0時，U二教師批閱:

10、同。逆變器的8種開關模式對應有8個電壓空間矢量。標變換，將二相電壓變換到d-q軸系。V Sa Sb Sc2CtU 】V(2.1)。Sc亦圖 2-1 逆變器等效圖課程設計用紙62.2.2磁鏈軌跡的控制逆變器按照所示電壓依次輸出給電動機供電， 則電動機定子磁 鏈矢端的運動軌跡將是一個正六邊形，而不是所希望的圓形磁場， 電動機電流波形將會出現(xiàn)較大的尖峰。從而改善點擊電流波形和提 高電力電子半導體器件的實用效率的角度考慮， 可以適當提高開關 頻率，這樣可以利用空間矢量的線性持續(xù)時間組合使產(chǎn)生的磁鏈軌TpwmSin :教師批閱:整理可得SVPW的基本公式為=爭TpwmsinUdcJI、 otTm=Uou

11、tTpwmSinUdc(2.5)(2.6)(2.7)課程設計用紙7跡逼近圓形。若逆變器的采樣周期為T，則有：T= tit2t3（2.8）其中t1,t2為某兩個非零空間電壓矢量在采樣周期內(nèi)作用的時 間，to為零矢量作用的時間。由積分近似公式有：V*T 7帚Vt2(2.9)圖 2-2 基本空間電壓矢量課程設計用紙8* *V為正弦電壓設定值，V T為在第k個采樣周期的磁鏈設定值的增量，v1t1和v2t2為電壓矢量V和V2分別在各自的作 用時間里所產(chǎn)生的磁鏈增量。由正弦定理得:V*T= Vti =V2t2sin 120sinsin( 60一)由此可推證:*d式10中a為調(diào)制比；丫為V與V2之間的夾角。

12、只要調(diào)整tt2、t0的作用時間，就可以達到變頻調(diào)速的目的。此外，為了使 磁鏈的運動速度平滑，零矢量不是集中加入，而是將零矢量平均分 成幾份，多點地插入到磁鏈軌跡中，但作用時間和仍為t，這樣就可以減少電動機的轉(zhuǎn)矩的脈動。V*T2V1t1YV2七2圖 2-3 空間矢量的線性合成2.3 SVPWM波的生成只要給定輸出頻率、輸出線電壓、直流母線電壓后，就可以生 成SVPWM，步驟如下。1.連續(xù)不斷地合成新的矢量，就能令電機產(chǎn)生圓形的磁場。教師批閱:(2.10)tisinsinvT60tisin( 60-sin 60(2.11)課程設計用紙9新矢量的角度遞增關系為- Tpwm(2.12)式中：角頻率.=

13、2二/f,f是輸出頻率。2.根據(jù)角度a落在6個不同區(qū)間，選擇不同的有效矢量Vi和Vmo。3.有效矢量Vi和Vm作用的先后次序，決定磁場的旋轉(zhuǎn)方向， 最終決定電機是正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。4.根據(jù)SVPWM生成方案，交由SVPWM狀態(tài)機計算，得到 計算結果。教師批閱:課程設計用紙10教師批閱:第 3 章系統(tǒng)硬件設計3.1主電路設計本系統(tǒng)采用交-直-交電壓型逆變電路，主電路的額定容量為200W，主要由整流電路、濾波電路及逆變電路組成。選取整流橋 為KBJ10A-10（即10A，1000V），整流后的直流電壓Udc=1.2Ui。主 電路工作時，因為智能功率模塊IPM的開關頻率很高，開關動作 時會在直流側(cè)產(chǎn)生電流

14、突變，由于主電路分別電感的存在，在IPM模塊內(nèi)部的IGBT的集電極和發(fā)射極以及直流母線上會出現(xiàn)浪涌電 壓，不但影響逆變器的工作，還會損壞IGBT，因此需要在逆變橋 上加上一個吸收緩沖電路，圖3-1中的電容C2和電阻R2就是一 個吸收緩沖電路。C2為無極性電容，R2為無感電阻，二者接線時 應盡量靠近IPM的直流進線端，減少電感可能引起的震蕩。逆變電路由智能功率模塊IPM來完成， 這里選用三菱公司的 智能功率模塊IPM，選取額定電流20A、耐壓600V的IPM模 塊:PM20CTM060。其內(nèi)部結構如圖3-2所示。IPM供電電壓為四 組+15V電源。它有過流、過熱、欠壓、短路四種保護。有故障時，I

15、PM低電平輸出電流為10mA，寬度為1.8ms的脈沖信號， 由于其 內(nèi)部的保護并不是針對反復出現(xiàn)的故障，所以一旦輸出故障信號FO,系統(tǒng)必須馬上做出反應，停機檢查，否則循環(huán)輸出故障信號 容易打壞模塊。智能功率模塊的選用，大大減少系統(tǒng)的體積，提高 了系統(tǒng)的性能和可靠性。課程設計用紙113.2 PWM驅(qū)動電路以u相上橋臂為例，其驅(qū)動接口電路如圖3.2所示，由于驅(qū)動 電路控制電壓是5V，而DSP輸出的PWM脈沖電壓幅值是3.3V，因此需要進行電平轉(zhuǎn)換，本設計采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245實 現(xiàn)從3.3V到5V的轉(zhuǎn)換。光耦采用高速光耦芯片TLP521，在光耦 的輸入端接入限流電阻R7,防止電流過大燒

16、壞光耦， 在IPM的控 制信號輸入端連接上拉電阻R1R6,以防止由于du/dt的作用而 產(chǎn)生誤動作。(ND教師批閱:圖 3.1 IPM 內(nèi)部結構圖課程設計用紙12課程設計用紙133.3故障保護電路當IPM的F0引腳輸出低電平脈沖，經(jīng)光電耦合后把DSP的PDPINTA弓I腳也拉為低電平，此時所有的PWM輸出管腳都呈高 阻狀態(tài)。同樣，它與DSP的接口電路也需要進行電平轉(zhuǎn)換，這里 采用電阻分壓的方式，具體接口電路如圖3.3所示。還設計有蜂鳴 器報警電路，當故障信號輸出時，蜂鳴器報警，提醒操作者第一時 間做出反應，防止故障循環(huán)輸出。3.4鍵盤和液晶本實驗平臺的鍵盤輸入采用4X4的矩陣式鍵盤，有0-9共

17、10個數(shù)字按鍵和A-F共6個輔助按鍵。與DSP接口電路如圖 3.4所示。本系統(tǒng)能夠完成異步電機的變壓變頻調(diào)速實驗，因此鍵盤的主要功能是輸入頻率指令值和啟、停電機以及對電機的加減速控制。 鍵盤各個鍵的功能說明如表3-1所示。圖 3.2PWM教師批閱:課程設計用紙14圖 3.4 鍵盤輸入及液晶顯示鍵值0-9ABCDEF功能頻率輸入加速減速待用刪除啟動停止表 3-1 鍵盤各值功能從附表中可以看到，實驗充分利用了矩陣式鍵盤按鍵豐富、顯 示明確的特點，數(shù)字鍵和字母鍵分別實現(xiàn)不同的功能，賦值明確， 一目了然，便于操作。系統(tǒng)顯示采用液晶顯示模塊RT12232F。為了節(jié)省資源，盡量 少占用DSP的I/O口，因

18、此液晶顯示采用串行控制方式。接口電 路如圖 3.4所示。將顯示模塊串口的同步時鐘引腳(SCLK)和數(shù)據(jù)輸 入引腳(sid)與DSP的兩個通用I/O相連;在對比度調(diào)整端通過接入10KW的電位器來調(diào)整顯示器的背光和對比度， 使顯示更加清晰。由于液晶顯示模塊的工作電壓為5V，所以加入電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn) 電平轉(zhuǎn)換。將液晶顯示與鍵盤輸入相結合，即能完成人機通訊的任 務。這里液晶顯示器可以實時顯示鍵盤設定的頻率和通過光電編碼 器測得的轉(zhuǎn)速值。教師批閱:GNDGNVCC収課程設計用紙15第 4 章系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件由主程序、中斷程序和子程序組成。其中，主程序包 括系統(tǒng)初始化和主循環(huán)等待；子程序包括電機運行頻

19、率和指令給定 子程序、顯示子程序；中斷程序包括SVPWM波形的生成和功率 驅(qū)動保護中斷程序。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4-1所示。使用的是目 前最流行的七段式SVPWM波形生成法。利用DSP定時器的下溢 功能產(chǎn)生中斷，即進入子程序計算出下一個PWM周期的三個比較 寄存器的比較值。程序可以實現(xiàn)調(diào)制波頻率0-50HZ的變頻功能、死區(qū)功能，其中載波頻率和采樣頻率可以根據(jù)實際情況由軟件進行設置圖 4-1 主程序流程圖圖 4-2 中斷子程序流程教師批閱:課程設計用紙16第 5 章調(diào)試結果5.1教師批閱:課程設計用紙17教師批閱:第 6 章設計總結通過這次課程設計，通過本次運動控制課程設計，學習和鞏固 了很多運

20、動控制相關知識和DSP基礎知識。從最初不熟悉設計流 程到順利完成整個設計，中間付出了辛勤的汗水和寶貴的時間。 在 設計過程中，不但學會了怎樣運用已學的知識到實踐當中，而且學 會了怎么樣有效地查找資料，提高工作效率，提高了管理和溝通能 力。在設計過程當中，得到了老師和同學的熱心幫助，感謝老師和 同學的指導和幫助。該設計利用DSP設計的信號發(fā)生器不僅成功實現(xiàn)了輸入時間 信號到SVPWM觸發(fā)信號的轉(zhuǎn)換，而且具有良好的抗干擾能力。 此外，其并行處理結構可以保證三相橋臂開關同時動作，有效地提升了控制系統(tǒng)的整體性能。可簡便地應用于逆變器控制系統(tǒng)中。該設計完全實現(xiàn)數(shù)字化，可靠性高，控制精度高，性能優(yōu)良。課程

21、設計用紙18教師批閱:參考文獻1孟慶春電力拖動自動控制系統(tǒng)。沈陽：東北大學出版社，20052王兆安.電力電子技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2000.3張廣溢.電機學M.重慶：重慶大學出版社，2002.4陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)（第2版）M.北京：機械工業(yè)出版社.2005阮毅,陳維鈞.運動控制系統(tǒng).北京：清華大學出版社.20066夏楊.計算機控制技術。北京：機械工業(yè)出版社.20077郁春蘭.計算機原理與接口技術北京：人民交通出版社.20078李定仁.電機的微機控制.北京：機械工業(yè)出版社.20079王軍.自動控制原理M.重慶：重慶大學出版社，2008.課程設計用紙19教師批閱：附錄 程序清單.

22、in elude 240 x.h;寄存器地址.global_c_intO;全局化標號；. 以下定義變量STO .set 0;狀態(tài)寄存器 ST0ST1 .set 1;狀態(tài)寄存器 ST1.bss TEMP,1;臨時變量.bss SET_F,1;頻率調(diào)節(jié)比，Q16 格式（值為 0-1,對應 0-50Hz）.bss THETA_S,1;e-扇區(qū)數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù),Q15 格式.bss SECTOR,1滲考電壓所在的扇區(qū)數(shù)，Q0 格式.bss THETA_90,1;90 度,Q12 格式.bss THETA_180,1;180 度,Q12 格式.bss THETA_270,1;270 度,Q12 格式.bss

23、THETA_360,1;360 度,Q12 格式.bss DEC_MS,24;6 個逆陣,Q14 格式.bss T1_PERIODS,1;定時器 1 周期值,Q5 格式.bss CMP_1,1;第 1 基本矢量,Q0 格式.sect .vectors;定義主向量段RESET B _c_i nt0;地址 0000H，復位，優(yōu)先級 1INT1B PHANTOM;地址 0002H , INT1，優(yōu)先級 4INT2B _C_INT2;地址 0004H , INT2，優(yōu)先級 5RESERVED B PHANTOM;地址 000EH，測試，優(yōu)先級 10SW_INT8B PHANTOM;地址 0010H，自

24、定義軟中斷SW_INT27 B PHANTOM;地址 0036H，自定義軟中斷SW_INT28 B PHANTOM;地址 0038H，自定義軟中斷SW_INT29 B PHANTOM;地址 003AH，自定義軟中斷SW_INT30 B PHANTOM;地址 003CH，自定義軟中斷SW_INT31 B PHANTOM;地址 003EH，自定義軟中斷；. 定義子向量段 .sect .pvecs;定義子向量段PVECTORSB PHANTOM;偏移地址 0000H課程設計用紙20B PHANTOM;偏移地址 0001HB PHANTOM;偏移地址 0002H課程設計用紙21B PHANTOM;偏移

25、地址 002FH教師批閱:B PHANTOM;偏移地址 0030HB PHANTOM;偏移地址 0031HB PHANTOM;偏移地址 0032HB PHANTOM;偏移地址 0033HB PHANTOM;偏移地址 0034HB PHANTOM;偏移地址 0035HB PHANTOM;偏移地址 003FHB PHANTOM;偏移地址 0040HB PHANTOM;偏移地址 0041H.text;. 系統(tǒng)初始化程序_c_i ntOSETCINTM;禁止中斷CLRCCNF;B0 為數(shù)據(jù)存儲區(qū)LDP#224SPLK#68H,WDCR;不用看門狗LDP#225LACCMCRAOR#0FC0H;設置 PWM1-6 引腳SACLMCRA;. 中斷初始化程序