全数字式SVPWM控制的异步电动机变频调速系统

章丽红

(江苏常州轻工职业技术学院电子电气系,常州2131)

摘要:由于传统的矢量控制技术对电动机参数依赖大,电机运行后的参数变化对系统性能影响大,而电压空间矢量控制技术,采用磁链环路通过对电压矢量的控制,可以得到逼近圆形的磁链轨迹,以减小电机低频转矩脉动和谐波电流损耗,达到对速度转矩调整的目的。以80C196M C单片机为控制器,以IP M为主功率开关器件,设计出异步电动机全数字式SV P WM电压空间矢量控制系统,并给出软件编程和硬件电路,通过利用M A TLAB的S I M UL I N K工具对其进行的仿真研究,证实了该系统具有提高电压利用率、抑制电流谐波等方面的优势。

关键词:异步电动机;变频调速;电压空间矢量;仿真

中图分类号:TM921　　文献标识码:A　　文章编号:1003230(2006)0120058205

Full D ig ita l SVP WM Con trolled VFVS System of I nduction M otor

ZHAN G L i2hong

(E lectron and E lectric D ep artm en t,Changzhou In stitu te of L igh t Indu stry T echno logy,

Changzhou2131,Ch ina)

Abstract:T he i m p lem en tati on of traditi onal vecto r con tro l techno logy depends on mo to r param eters and the change of the param eters w ill influence system perfo rm ance greatly.V o ltage space vecto r con tro l techno logy can ob tain app rox i m ately round m agnetis m chain o rb it,reducing mo to r’s low frequency pu lsati on and harmon ic lo sses.It can be adop ted to adju st the speed to rque.A fu ll digital con tro l system fo r inductive mo to r has been designed,w h ich u ses80C196M C single2ch i p as con tro ller and IP M(in tellectual pow er modu le)as m ain pow er devices.T he softw are p rogram and hardw are circu its of the con tro l system are p resen ted.T he advan tages of the system,such as i m p roving the vo ltage u tility rati o and supp ressing cu rren t harmon ics,have been p roved by M A TLAB si m u lati on.

Key words:inducti on mo to r;variab le frequency variab le speed(V FV S);vo ltage space vecto r;si m u lati on

1　前言

　　交流异步电动机因其结构简单、价格便宜、维护方便,在生产和生活中得到了广泛的应用。随着微电子技术、电力电子技术、微处理器技术的不断发展和普及应用,电动机的调速从直流发电机-电动机组调速、静止晶闸管整流器直流调压调速逐步过渡到笼型异步电动机变频调速,而且随着控制技术和控制手段的不断提高,变频调速又由U F(电压 频率)恒定控制P WM变频调速发展到了矢量控制变频调速。传统的矢量控制技术的缺点是对电动机参数依赖大,电机运行后的参数变化对系统性能影响大。近年来出现的电压空间矢量控制技术,采用磁链环路通过对电压型逆变器的输出状态即电压矢量的控制,可以得到逼近圆形的磁链轨迹,以减小电机低频转矩脉动和谐波电流损耗,达到对速度转矩调整的目的。该技术对磁链进行直接反馈,仅用到电机定子电阻一个参数,对系统参数依赖小,运算比较简单,便于实现全数字化,因而目前正受到各国学者的重视。

2　全数字式SVP WM变频调速系统总体构成及硬件实现

　　采用全控电力电子器件IPM作为开关元件配

第18卷第1期2006年2月　　　　　　　　　　　　

电力系统及其自动化学报

P roceedings of the CSU2EPSA

V o l.18N o.1

Feb.　2006

α:20050314;:20050426

以高性能的专用微控制器In tel 80C196M C,可构成高性能SV PWM 调速系统。本系统的总体构成框图如图1所示,它的主要组成部分有:

1)主电路　以IPM 作为主开关器件,整体安装在一块风冷式齿状散热器上,为减少分布电感效应,主电路采用铜板架空连接。

2)单片机主控板　负责PWM 波和控制信号的产生。

3)IPM 驱动板　主要由3只TL P 21、3只TL P 22驱动模块组成,兼有快速过流检测与保护的

功能。

4)故障检测、保护和显示电路　主要包括直流侧电压、电流的检测和调理电路以及各种辅助动作开关。

5)电源板　为以上各板提供多路直流电源

。

图1　变频调速系统的总体构成框图F ig .1　Block di agram of VFVS syste m

2.1　80C196M C 单片机

M CS 296系列16位单片机特别适用于各类自

动控制系统,如工业过程控制系统、伺服系统、分布

式控制系统、变频调速电机控制系统。这些系统通常要求实时处理和实时控制,该系列单片机可以大大提高系统的实时性,CPU 操作直接面向256字节的寄存器阵列,从而消除了一般CPU 结构中存在的累加器瓶颈效应,提高了操作速度和数据吞吐能力,有一套效率更高、执行速度更快的指令系统。此外,M CS 296系列还集成了丰富的外设,包括定时器 时钟器、标准I O 口、串行口、A D 转换器、高速I O 口、脉宽调制器P WM 、波形发生器W FG (w ave fo r m generato r )等。

　　片内波形发生器W FG 是80C196M C 独具的

特点之一。这一装置大大简化了用于产生SPWM

波形的控制软件和外部硬件,特别适应于控制三相交流感应电机。

2.2　智能功率模块(IP M )

在电力电子变流电路中,电力电子器件必须有驱动电路、保护电路的配合,才能按人们的要求实现一定的电力控制功能。而集成电力电子器件IP M 是把IGBT 芯片、二极管芯片、控制和驱动电路、过压、过流、过热和欠压保护电路、钳位电路以及自诊断电路等封装在一起构成的一种智能化IGBT 模块。本文所采用的IPM 是三菱公司的P M 15CZF120,它包括6个IGB T 及其各自的驱动保护电路,其中的IGBT 及续流二极管的额定电流均为15A ,阻断电压为1200V 。用它来构建主逆变电路,简化了电路结构,同时也提高了电路的可靠性与稳定性。

3　SVP WM 变频调速系统的控制软件与仿

真研究

3.1　系统控制软件的组成

1)主程序模块

整个软件共分两大部分:主程序模块和定时器中断模块。其中主程序模块如图2所示,主要由初始化模块和循环扫描模块两部分组成。

2)定时器中断服务程序

在软件定时器中断服务程序中,要查找空间矢量表和零矢量作用时间表,这两个表都是利用M atL ab 仿真生成的数据,通过自己编写的数据处理程序自动生成的,避免了烦琐的数据处理过程。如图3所示。

3.2　SVP WM 变频调速系统的仿真研究

系统中输入信号模型图如图4所示。通过改变阶跃信号的属性参数来改变输入信号的频率和幅值。图5给出了产生SV P WM 的整个框图。图6、图10分别是频率为10H z 、50H z 时的输入波形图,从

图中可以看出它们的频率和幅值各不相同。图9、图13分别为电动机的转速波形,从图中可以看出其稳定时的大小与电机给定转速1425r m in 的比例和逆变器输出电压波形的频率与额定频率50H z 的比例大致相等,真正达到了变频调速的目的。为画图方便图5中的输入信号采用等效的三相对称正弦波,但仿真时仍采用了图4的模型图。

・

95・第18卷第1期　　　　　　　章丽红等:全数字式S V P WM 控制的异步电动机变频调速系统

F ig.2　Flow chart of the ma i n program

3.3　仿真结果

仿真参数算法为

ode15s,选取可变步长仿真,最大步长为0.001,带11.9N m的负载直接启动。在输入三相电压为220V、频率分别为10H z和50 H z时的SV PWM仿真结果如图6～13所示。在本系统中电机的相关各参数值分别为:P=2.2k W, f n=50H z,V n=220V,n p=2,n nom=1425 r m in,T m=11.9N m,R1=0.4358,R2= 0.8168,J=0.0kg m2,L S=4mH,L r= 2m H,L m=69.31mH。

其中T c m1是空间矢量切换点,一定频率和幅值的三角波与T c m x相比较,一旦T c m x与三角波的值相等时,就改变P WM波形的状态。它不同于自然采样的三角波和正弦波相比较产生正弦P WM的方式,它的比较点对应的是空间矢量的作用时间T x和T y,在这个系统中三角波的周期为0.02s,其幅值为0.01V

。

图3　软件定时器中断服务程序

F ig.3　Flow chart of sof tware ti m er

i n terrupt serv ice routi

ne

图4　输入信号模型图

F ig.4　D i agram of i nput signal m odel

　　其中图形单位分别为:横轴为时间t(s),纵轴分别为电压u(V)、转速n nom(r m in)。其中图6、图7、图10、图11中均为a、b、c三相的输入输出波形。图8、图12是根据扇区确定的电压空间矢量切换点T c m x(x=1,2,3)其中之一T c m1,其横轴也为时间t,单位是秒(s)。

当给定频率为10H z时的仿真波形如图6～9所示。当给定频率为50H z时的仿真波形如图10～13所示。

・

6

・电力系统及其自动化学报　　　　　　　　　　　　　　2006年2月

・

16・第18卷第1期　　　　　　　章丽红等:全数字式S V P WM 控制的异步电动机变频调速系统

F ig.12　Output wavefor m s of Tc m1with f=50

Hz

图13　f=50Hz时转速仿真波形图

F ig.13　W avefor m of m otor speed with f=50Hz

　　从仿真曲线可以看出,上升时间约为0.1s,超调很小,在0.3s以内速度、电压和电流已基本达到稳定。负载变化时波动较小,并很快达到稳定,对给定值具有良好的动静态跟踪能力,控制系统的各个部分能协调运行。

计算0.8～1s区间的转速均方差std大约为0.54,说明SV P WM的转速脉动小,这是由于转矩脉动变小的缘故。

4　结语

由仿真结果可以看出,SV PWM控制方式谐波优化程度高,消除谐波效果比传统SPWM要好,可以提高电压利用率,并可以得到较好的输出波形。但由于没有加入波形控制技术,输出波形畸变仍较大。若在控制软件中引入抑制中点电位偏移的控制策略,逆变器的输出电流波形会有所改善的。这有待于在今后的学习和工作中不断地加以完善。

根据仿真的结果,证实了这一方案的可行性,同时也为以后的实践过程提供了很好的理论依据。

参考文献:

[1]　IP M U ser’s M anual[Z].三菱公司(M itsub ish i

Co rpo rati on),1998.

[2]　张燕宾(Zhang Yanb in).SP WM变频调速技术

(SP WM V ariab le F requency V ariab le Speed

T echno logy)[M].北京:机械工业出版社(Beijing:

Ch ina M ach ine P ress),1997.

[3]　朱典旭,张锦生,赵雅莉,等(Zhu D ianxu,Zhang

J in sheng,Zhao Yali).空间矢量控制的大容量IGBT

P WM变频调速装置研究(R esearch on h igh

capacity IGBT P WM VVV F equ i pm en t of vo ltage

space vecto r con tro l)[J].江苏机械制造与自动化

(J iangsu M ach ine Bu ilding and A u tom ati on),2000,

3:36-39.

[4]　8XC196M C U ser’s M anual[Z].In tel Co rpo rati on,

1992.

[5]　徐铁柱,徐国卿(Xu T iezhu,Xu Guoqing).基于D SP

的交流电动机变频调速控制系统(V ariab le

frequency con tro l of A C inducti on mo to r based on

D SP)[J].电力系统及其自动化学报(P roceedings of

the CSU2EPSA),2002,14(6):69-73.

作者简介:

章丽红(1974-),女,硕士,讲师,主要从事电力电子与电力传动方面的教学工作。Em ail:mo lve_zhang@sina.com

・

2

6

・电力系统及其自动化学报　　　　　　　　　　　　　　2006年2月