一种变频调速系统的SVPWM控制设计

一种变频调速系统的S V P W M 控制设计

■沈阳理工大学　　张宏岭　王大志

　摘　要

介绍以凌阳的16位单片机SPMC75F2313A 为核心的变频调速系统的结构;采用SVPWM 算法编写软件

产生PWM 波,很好地满足了调速系统要求;编写了上位机的友好界面,通过串口通信由上位机控制调速系统,并通过实验验证。

　关键词

SPMC75F2313A 　智能功率模块　SVPWM 　速度反馈　FSBB20CH60

引　言

目前,变频调速技术经过多年的研究已经趋于成熟,尤其是普通的SPWM 方案已经普遍应用于实际的变频器中。其他控制方法如空间电压矢量法、直接转矩控制等策略的研究也已经进入了一个新的阶段。空间电压矢量

PWM (Space Vector PWM ,SVPWM )控制方法通过电压

矢量的控制优化使磁通逼近基准磁链圆,从而产生恒定的电磁转矩,其控制效果等同于直接转矩控制。从电机的角度出发,把逆变器和电动机作为一个整体来考虑。与传统

PWM 相比,其电流畸变小、直流电压利用率高,在传动系

统和变频电源装置中有着广泛应用。

1变频调速系统结构

图1

为整个变频调速系统的结构框图。系统由整流

图1变频调速系统结构框图

电路、滤波电路、智能功率模块(IPM )、单片机

(SPMC75F2313A )、光耦隔离电路、脉冲整形电路、过压过

流检测电路及显示电路等部分组成。整个系统由VB 编写的友好界面通过上位机进行控制,可正反转起停,还可

实现在线调速、测速,对电压电流进行监测等功能。

1.1SPMC75F2313A 单片机

变频调速系统的控制内核为凌阳的16位单片机

SPMC75F2313A ,适用于体积小、嵌入式的变频系统。其内部集成有专用于位置侦测的接口,以提高电机伺服系统的定位精度。DIP 封装引脚图如图2所示。其中,TCL KD 和TCL KC 引脚分别接光电编码器的A 、B 相。

1.2FSBB20CH60智能功率模块

功率驱动部分主要由IPM 模块和光耦隔离电路组成。IPM 模块选用美国仙童公司生产的FSBB20CH60,引脚图如图3所示。该模块适用于三相DC/AC 功率变换,内部集成了过压过流、欠压欠流及热保护等功能。光耦隔离由6路高速光耦6N137构成,其作用是将单片机产生的SVPWM 波与驱动电路隔离,防止波形受到干扰

从而影响输出电压波形。

图2SPMC75F2313A

引脚图图3FSBB20CH60引脚图

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1.3

脉冲整形电路

如图4所示,+5V (A )不同于+5V (B ),GND (A )也

不同于GND (B ),二者不共地,其原因在于光耦6N137的两侧不能共地,否则达不到隔离的目的,还可抑制电源侧对信号输出侧的电磁干扰,能够得到更优秀的A 、B 相

波形。

图4　脉冲整形电路

由ST 公司的运放LM339组成的迟滞比较器,其主要优点是抗干扰能力强,当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时,适当调整比较器的输入电平差值即可避免比较器的输出电压因干扰或震动而发生改变。输出状态一旦转换后,只要在跳变电压值附近的干扰不超过ΔU 之值,输出电压的值就将是稳定的;但随之而来的是分辨率降低,因为对迟滞比较器来说,它不能分辨差别小于ΔU 的两个输入电压值。迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度,还可避免由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。

2

SVPWM 调制原理

2.1

空间电压矢量与磁链矢量的关系

交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在

电动机空间形成圆形旋转磁场。磁链的轨迹是交替使用

不同的空间电压矢量得到的,因此SVPWM 控制又称“磁链跟踪控制”。当异步电机的三相对称定子绕组由三相平衡正弦电压供电时,定子电压可表示为:

u s =

d ψs

d t

+R s I s (1)

　　其中,ψs =j

ω1

t 。在转速不太低时,定子电阻压降R s I s 可忽略。R s 为定子电阻;u s 、I s 、ψs 分别为定子三相电压、电流、磁链的合成空间矢量;u s =u AO +u BO e

j 2

π3

+u C O e

j

4

π3

(2)

　　其中,u AO 、u BO 、u C O 为A 、B 、C 三相相对于原点O 的电压。

逆变的每相桥臂有两种开关电平(+u d 和-u d ),因此每周期逆变器共8种工作状态。其中首尾两种状态是冗余的,状态切换后分别形成6个空间电压矢量和磁链矢量,如图5所示。如果想获得更多或逼近圆形的旋转磁场,须在每个π/3时间内出现多个工作状态,以形成更多相位不同的空间电压矢量。图6绘出了逼近圆形时的磁链矢量轨迹。如果每周期只切换6次,当电压为u 1时,磁链增量为u 1Δt =Δψ1,磁链轨迹呈六边形。不同空间电压矢量在不同时间作用下的线性组合就可得到所需相位的磁链增量。增加开关切换次数可使磁链逼近圆形,如图6中的磁链增量由Δψ11、Δψ12、Δψ13、Δψ14、Δψ15、Δψ16六段组成。Δψ11是u 1和u 6在不同作用时间下合成的,即

u 11=u 1

t 1T 0+u 6t 2

T 0

(3)

　　其中,t 1、t 2为作用时间;T 0为采样周期。

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图5　空间电压矢量与

磁链矢量的关系

图6

逼近圆形时的磁链矢量轨迹

图7S VPW M 中断服务程序流程2.2SVPWM 软件实现

SVPWM 中断服务程序流程如图7所示。测速

编码器将测得脉冲经整形电路后送入单片机,再经过PI 调节,设置定时器,在每次速度采样的时间内计算转角增量和空间电压矢量的相角,进行SVP 2WM 波的调制。

此开放式教研系统还加入了二级控制系统,通过设置Twido PLC 参数可对各个系统分别控制,也可由上位机直接控制。

3仿真实验结果

用Matlab 仿真得出电机三相线电压和转速曲线图,如图8和图9

所示。

图8

电机三相线电压仿真图

图9

电机转速曲线

　　从仿真结果可以看出,逆变器输出的线电压是按正弦

规律变化的,转速在启动后稍有波动,之后一直处于稳定的状态,从而证明对SVPWM 调制算法的分析是正确的。

结　语

本文利用SPMC75F2313A 和FSBB20CH60智能功率模块构成了变频调速系统的主要部件,采用优秀的SVPWM 调制技术,通过对空间电压矢量的控制逼近磁链圆,使其输出转矩恒定,有效地降低了开关损耗和交流侧的谐波畸变率,提高了直流侧电压利用率。目前,该调速系统已经成功地应用于实验室的教学和研究。

参考文献

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版社,2000.

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理工大学学报,2006,30(1):52255.

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SPWM 的本质联系[J ].中国电机工程学报,2006,26(2):1332137.

[5]李峰,矢量控制系统中优化PWM 控制策略的研究[D ].天

津:天津大学,2004.

张宏岭(硕士研究生),主要研究方向为电力电子与电力传动的应用;王大志(教授、博导),主要研究方向为有源电力滤波、电能质量及谐波治理等。

(收稿日期:2009205225)

An SVPWM Con t rol Me t hod Bas e d on

Varia bl e Vol t a ge Varia bl e Fre gue nc y Con t rol S ys t e m

Shenyang Ligong University 　　　　Zhang H ongling ,W ang Dazhi

Abstract 　The structure of Variable Voltage Variable Freguency (VVV F )control system with SPMC75F2313A as the main con 2troller is introduced.The principle of SVPWM is analyzed.G ood controlling effect using this method is achieved in the laboratory.

K ey w ords 　SPMC75F2313A ;IPM ;space vector PWM ;speed feedback ;FSBB20CH60