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1、基于DSP的三相SVPWM变频调速系统的设计摘要根据电压矢量的基本原理，利用TMS320LF2407A，对电流采样、速度检测、驱动保护以及控制系统进行软件设计。设计出基于DSP控制系统的SVPWM的变频调速系统控制器。使得逆变电源的智能化程度更高，性能更加完美 。本文对SVPWM技术进行了深入的讨论, 并给出了一个基于 TMS320F2407ADSP硬件决定切换模式的SVPWM控制方法,以证明这种方法的有效性。实验结果表明硬件决定开关模式在感应电动机控制中可以大大降低微处理器的软件工作量、降低功率开关器件频率、减少开关损耗。该设计利用DSP设计的信号发生器不仅成功实现了输入时间信号到SVPWM
2、触发信号的转换，而且具有良好的抗干扰能力。此外，其并行处理结构可以保证三相桥臂开关同时动作，有效地提升了控制系统的整体性能。可简便地应用于逆变器控制系统中。SVPWM在输出电压或电机线圈的电流都将产生更少的谐波，提高了对电压源逆变器直流供电电源的利用率。提高了电压型逆变器的电压利用率和电动机的动态响应性能，同时减少了电动机的转矩脉动，简单的矢量模式切换更易于数字化实现。关键词：DSP；SVPWM；变频调速系统AbstractAccording to the basic principles of voltage vector, using TMS320LF2407A, on current s
3、ampling, speed detection, driver protection and control system software design. Designed SVPWM based on DSP control system of variable speed system controller. Make intelligent inverter higher degree of performance more perfect. In this paper, SVPWM techniques were discussed in depth and gives a dec
4、ision based on the hardware switch mode TMS320F2407ADSP SVPWM control method to prove the effectiveness of this approach. Experimental results show that the decision to switch the hardware model in induction motor control can greatly reduce the workload of the microprocessors software to reduce the
5、frequency power switching devices, to reduce switching losses. The design of the signal generator using DSP design successfully achieved not only the time signal to the SVPWM trigger input signal conversion, but also has good anti-jamming capability. In addition, the parallel processing structure ca
6、n ensure the same three-phase bridge arm switch movement, effectively improve the overall performance of the control system. Can be easily applied to inverter control system. SVPWM motor coil in the output voltage or current will have less harmonic, increase the voltage source inverter DC power supp
7、ly utilization. Increase the voltage inverter efficiency and dynamic response of motor performance, while reducing motor torque ripple, the simple vector model of digital switching easier to achieve. Keywords: DSP; SVPWM; Frequency Control System 目录第一章 绪论11.1设计目的及意义11.2 前言21.2.1 全数字化控制系统21.2.2 高压大容量
8、交流调速系统31.2.3 高性能交流调速系统51.3 展望6第二章 SVPWM基本原理721电压空间矢量脉宽调制法（SVPWM）722 电压空间矢量技术的基本原理82.2.1 三相逆变器输出电压的矢量表示82.2.2 磁链轨迹的控制92.3 SVPWM调制的基本原理112.3.1 基本原理112.3.2 SVPWM开关模式132.3.3 SVPWM硬件方法决定开关模式的软件设计142.4 SVPWM波的生成15第三章 系统方案及硬件设计163.1系统方案163.2 主电路设计173.3 PWM驱动电路183.4 故障保护电路19第四章 系统软件设计21第五章变频调速系统的主要干扰源及其危害22
9、5.1主要电磁干扰源225.2电磁干扰的途径225.3变频器干扰的危害235.4抗电干扰的措施245.4.1 在工程上采用抗干扰的措施245.4.2正确安装265.4.3采用电抗器275.4.4减少变频器谐波及电磁辐射对设备干扰的方法275.5变频控制系统295.5.1变频控制系统设计中应注意的问题295.5.2变频器的控制方式今后的几个发展方面30全文总结32致谢33参考文献34附录 程序清单35第一章 绪论1.1设计目的及意义训练学生正确地应用运动控制系统，培养解决工业控制、工业检测等领域具体问题的能力；通过课程设计，熟悉运动控制系统应用系统开发、研制的过程，软硬件设计的工作方法、工作内容
10、、工作步骤；对学生进行基本技能训练，例如组成系统、编程、高度、绘图等，使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。近年来用于感应电机控制的空间矢量理论被引入到逆变器及其控制中，形成和发展了SVPWM 控制思想。其原理就是利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合, 使逆变器的输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能接近圆形。SVPWM 同时控制三相电流的状态 , 以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的, 不仅使得电机脉动降低,电流波形畸变减小, 能够提高功率因数 , 降低损耗而且与常规正弦脉宽调制SPWM技术相比, 直流电压利用率有很大提高,并更易于数字化实现。随着微机控制技术的发展，
11、微控制器的实时处理能力和运算能力不断增强，使得数字化PWM有了更为广阔的应用前景。TMS320LF2407DSP控制器是TI公司专门为交流电机控制而推出的数字信号处理器，尤其它内嵌的空间矢量状态机，更是专门为空间矢量脉宽调制技术而设计。这将大大减少DSP的处理时间，很容易实现交流电机的全数字化控制系统。SVPWM以其直流电压利用率高、易于数字化实现等优点，在各种变流器中逐渐得到了广泛的应用。在现代高性能电机调速控制系统中，通常将矢量控制与SVPWM相结合以获得高精度的运行特性 它将逆变器和电动机看成一个整体， 建立逆变器开关模式和电机电压空间矢量的内在联系， 通过控制逆变器的开关模式， 使电机
12、的定子电压空间矢量沿圆形轨迹运动。（1）在详细分析SVPWM基本原理的基础上，介绍了一种不同于传统算法的SVPWM实现方法。 传统算法是将相关矢量分解到，轴后，根据等效关系求取各矢量的作用时间。（2） 而此法是用 复平面中的状态开关矢量直接进行相关矢量作用时间的求取。该算法应用于以TMS320LF2407A为核心控制器的感应电机变频调速系统中，实验结果表明， 逆变器直流母线电压利用率高， 输出电流谐波小， 电机运行性能优越。1.2 前言当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地
13、方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12%-55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位GNP能耗（吨标准煤/千美元）的国家比较（90年代期），中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、
14、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤/kWh，是国际先进水平的1.27倍。 由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55-220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调
15、速系统在我国将有非常巨大的市场需求。目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。1.2.1 全数字化控制系统随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。单片机已经在交流调速系统中得到
16、了广泛地应用。例如由Intel公司1983年开发生产的MCS - 96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型：8196KB、8196KC、8196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近TI公司推出的MCS320F
17、240X系列产品更将价格降低到了单片机的水平。在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。PWM控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种，关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电力国际会议上，如PESC，IECON，EPE年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转
18、矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。 1.2.2 高压大容量交流调速系统 在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超的空间。首先，国外的电网电压等级一般为3000V，而我国的电网电压等级为6000V和10000V；其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国
19、外的劳动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。目前，研究较多的大功率逆变电路有：（1）多电平电压型逆变器（2）变压器耦合的多脉冲逆变器（3）交交变频器（4）双馈交流变频调速系统。(一)多电平电压型逆变器日本长冈科技大学的A.Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出三电平逆变器，又称中点箝位式逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。多电平电压型逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点：1. 更适合大容量、高电压的场合。2.可产生M层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小。3.电磁干扰（EMI
20、）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的1/（M-1）。4. 效率高，消除同样谐波，双电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作、开关频率低、损耗小，效率提高。(二)变压器耦合的多脉冲逆变器变压器耦合的多脉冲逆变器的三电平电路中，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可。其优点为：1. 不存在电压均衡问题。无需箝位二极管或电容，适于调速控制；2. 模块化程度好，维修方便；3. 对相同电平数而言，所需器件数目最少；4. 无箝位二极管或电容的限制，可实现更多电平，上更高电压，实现更低谐波；5. 控制方法相对简单，可分
21、别对每一级进行PWM控制，然后进行波形重组。当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。(三)交交变频器交交变频器采用晶闸管作为主功率器件，在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大的需求。晶闸管的最大优点就是开关功率大（可达5000V/5000A），适合于大容量交流电机调速系统。同时，大功率晶闸管的生产和技术功能技术相当成熟，通过与现代交流电机控制理论的数字化结合，将具有较强的竞争力。但是交交变频器也存在一些固有缺点：调速范围小，当电源为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz；另一方面，功率因数低、谐波污染大，因此需要同时进行无功补偿和谐波治理。(四)双馈交流变频调速系统双馈
22、交流变频调速系统的变频器功率小、功率因数可调、系统可靠性较高，因此近来受到了许多研究人员的重视。由于变频器的功率只占电机容量的25%，因此可以大大降低系统的成本。但是，双馈交流变频调速系统中的电机需要专门设计，不能使用普通的异步电机；而且受变频器容量和调速范围的限制，不具备软起动的能力。1.2.3 高性能交流调速系统V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，
23、完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。 和矢量控制不同，直接转矩控制屏弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转
24、矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有待研究：（1）磁通的准确估计或观测（2）无速度传感器的控制方法（3）电机参数的在线辨识（4）极低转速包括零速下的电机控制（5）电压重构与死区补偿策略（6）多电平逆变器的高性能控制策略 1.3 展望 在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇，如果我们抓住
25、这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加大该领域的科研与开发的力度。第二章 SVPWM基本原理21电压空间矢量脉宽调制法（SVPWM）随着电力电子器件和微电子技术的迅速发展，以及高性能控制方法在交流调速系统中的应用，交流调速系统的发展非常迅速。特别是采用了专为电机控制开发的数字信号处理器DSP为核心的全数字化控制系统，为高性能的控制方法提供了可靠的硬件环境。这种DSP集中了电动机控制所必须的可增加死区和灵活多变的多路PWM信号发生
26、器，高速高精度ADC，以及用于电机速度和位置反馈的编码器接口等电路。目前国内外应用于工业生产领域的变频器，很多都把DSP作为控制核心，充分利用其高速运算能力和强大的控制功能以实现高性能的变频控制。电压空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)为交流电机的一种控制方法，电压空间矢量PWM方法和普通的正弦PWM方法不同，它是从电机的角度出发，把电机和逆变器看作一个整体考虑，不简单从得到电压电流正弦出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。其以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器的开关
27、状态，形成PWM波形。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（space vector PWM，SVPWM）控制”。SVPWM较之于SPWM，SVPWM在输出电压或电机线圈的电流都将产生更少的谐波，提高了对电压源逆变器直流供电电源的利用率。提高了电压型逆变器的电压利用率和电动机的动态响应性能，同时减少了电动机的转矩脉动，简单的矢量模式切换更易于数字化实现。由于该控制方法把逆变器和异步电机看作一个整体来处理，所用到的数学模型和数字算法均很简单，便于微处理器实时控制，且具有转矩脉动小，噪声低、直流电压利用率高、开关频率低
28、的优点，因此目前无论在开环调速系统或闭环调速系统中均得到广泛的应用。22 电压空间矢量技术的基本原理2.2.1 三相逆变器输出电压的矢量表示图 2.1所示电路为三相逆变器供电给异步电动机的原理图。图中有6个功率开关管，当当上桥臂开关管处于 “开” 状态，下桥臂开关管处于“关”状态时，则用“1”表示；当下桥臂开关管处于“开”状态，上桥臂开关管处于“关”状态时，则用“0”表示。三个桥臂共有000、001、010、011、100、101、110、111八种开关模式，其中000、111开关模式使逆变器输出电压为零，称这两种开关模式为零状态。只要控制这些基本空间矢量的组合，同时再将零矢量合理分配，就能使
29、瞬态输出空间电压矢量按一定的圆形轨迹旋转。图 0.1 三相逆变器主电路电压源逆变器可由图 2.2所示的6个开关来等效表示。如图 2.2所示，当上桥臂开通、下桥臂关断时，即Sa=1时，；当上桥臂关断、下桥臂开通时，即Sa=0时， 。Sc亦同。逆变器的8种开关模式对应有8个电压空间矢量。采用坐标变换，将三相电压变换到d-q轴系。 （2.1）式中：通过不同的矢量组合可以合成新矢量，设相邻两个有效矢量V1和Vm，零矢量为Vo，合成新矢量Vout，矢量作用时间分别是T1、Tm、To。Tpwm是PWM脉宽周期。合成新矢量的表达式为 （2.2） （2.3）矢量分别投影到横、纵坐标轴，得 （2.4）图 0.2
30、 逆变器等效图 （2.5）整理可得SVPWM的基本公式为 （2.6） （2.7）2.2.2 磁链轨迹的控制逆变器按照所示电压依次输出给电动机供电，则电动机定子磁链矢端的运动轨迹将是一个正六边形，而不是所希望的圆形磁场，电动机电流波形将会出现较大的尖峰。从而改善点击电流波形和提高电力电子半导体器件的实用效率的角度考虑，可以适当提高开关频率，这样可以利用空间矢量的线性持续时间组合使产生的磁链轨图 0.3 基本空间电压矢量迹逼近圆形。若逆变器的采样周期为T，则有： （2.8）其中t1,t2为某两个非零空间电压矢量在采样周期内作用的时间，t0为零矢量作用的时间。由积分近似公式有： （2.9）V*为正弦
31、电压设定值，V*T为在第k个采样周期的磁链设定值的增量，V1t1和V2t2为电压矢量V1和V2分别在各自的作用时间里所产生的磁链增量。由正弦定理得： （2.10）由此可推证： （2.11） 式10中为调制比；为V*与V2之间的夹角。只要调整t1、t2、t0的作用时间，就可以达到变频调速的目的。此外，为了使磁链的运动速度平滑，零矢量不是集中加入，而是将零矢量平均分成几份，多点地插入到磁链轨迹中，但作用时间和仍为t0，这样就可以减少电动机的转矩的脉动。图 0.4 空间矢量的线性合成2.3 SVPWM调制的基本原理2.3.1 基本原理空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术是以获取圆形磁链轨迹为目的的，根
32、据异步电动机的运行规律，在忽略定子电阻影响的情况下，磁链矢量表现为定子电压矢量对时间的积分。也就是说,磁链矢量的顶端始终指向定子电压矢量与作用时间的乘积的和矢量的终点。在采用三相逆变器对异步电机供电时，根据逆变器的工作原理可以知道，逆变桥共有8种状态。若将逆变器的8种状态用电压空间矢量来表示，则形成8个离散的电压空间矢量。图2.5磁链空间矢量与电压空间矢量的运动轨迹每两个工作电压矢量在空间的位置相隔60度，矢量的长度为常值，其中000、111对应的矢量称为零矢量，各矢量关系如图1所示。当异步电动机由正弦波供电时，形成的定子电压空间矢量是幅值不变、旋转的连续定子电压空间矢量，定子电压空间矢量顶点
33、形成的轨迹是圆形；由于定子磁链空间矢量表现为定子电压矢量对时间的积分，所以定子磁链空间矢量也是幅值不变、相位旋转的定子磁链空间矢量，定子磁链空间矢量顶点形成的轨迹也是圆形。此时，定子电压空间矢量超前定子磁链空间矢量90度，可以视为定子电压空间矢量拉动定子磁链空间矢量连续地旋转，如图2所示；但是当异步电动机由常规六拍阶梯波逆变器供电时，形成的定子电压空间矢量却是幅值不变、旋转的离散电压空间矢量，也就是只有6个有效电压空间矢量，如果每一个有效电压空间矢量在一个周期内作用1/6的时间，则形成的旋转磁链矢量顶点轨迹则是正六边形，与圆形磁链顶点轨迹相差甚远。为了获得更多边形或者逼近圆形的旋转磁场，则必须
34、通过线性组合法使得在每个1/6周期期间内出现更多的电压空间矢量。就是利用有限个（8个）离散的电压矢量组合成无数个连续的电压矢量。如图3所示，任意一个连续电压矢量都可以有附近的两个离散电压矢量合成。图2.6电压空间矢量的线性组合1. 的确定 任意连续电压空间矢量可以表示为： 这里，为相电压的峰值；六个有效电压空间矢量可以表示为：为直流母线电压，为六个离散值。任意时刻的都可以有和来等效合成，于是有下列等式： （为载波周期）为计算方便，令，进一步推导： （2.12）从这个公式可以看出，改变就可以改变电机的相电压，改变就可以改变电机的转速。变压变频调速要保持气隙磁通恒定，因此需要电压频率协调变化。在额
35、定转速以下，电压频率之比为一定值，所以为相电压的最大值，为额定频率；为给定频率， 为给定频率时相应的电压值；并且已经最大相电压与直流侧的电动势为，则，定义为调制度，。式（2.12）可以整理如下： （2.13）对式（2.13）进行求解可以得出： （2.14）式（2.14）求出了电压矢量作用时间的相对值，只要知道载波周期就可以求出电压矢量的作用时间。2.3.2 SVPWM开关模式表1给出了硬件开关模式的开关顺序表，在TMS320LF2407DSP的事件管理器中有专门的硬件(空间矢量状态机)来支持此方法，只需把主矢量填入比较方式控制寄存器(ACTRA/B)中的基本空间矢量位、把主辅矢量的作用时间填入
36、比较单元的比较寄存器(CMPR1、CMPR2/ CMPR4、CMPR5)，就可以实现SVPWM。这种开关模式可以用表示，这里可以为，以为例，可以画出硬件开关模式下的开关序列和逆变器三相电压波形，如图4。通过表1 和图4可以看出，主辅矢量作用时间的顺序不用改变就可以满足开关损耗最小原则。表1 硬件开关模式确定的开关顺序表Sector110011011111111010021100100000000101103010011111111011010401100100000000101150011011111111010016101100000000100101 图2.7硬件开关模式下开关序列2.3.
37、3 SVPWM硬件方法决定开关模式的软件设计软件设计由主程序和中断服务程序组成。主程序完成系统初始化设置和等待中断，初始化流程设置比较控制寄存器COMCONA、全比较动作控制寄存器ACTRA、死区控制器存器DBTCONA、通用定时器的控制寄存器T1CON，并根据调制周期设置通用定时器1的定时周期寄存器T1PR。图5是硬件开关模式下的中断服务子程序，硬件开关模式在根据式（2.14）确定，之后，利用sector设置比较方式控制寄存器(ACTRA)中的基本空间矢量位，只需设置两个比较寄存器。因此硬件开关模式下SVPWM实现比较简单。图2.8 硬件开关模式下的中断服务子程序2.4 SVPWM波的生成只
38、要给定输出频率、输出线电压、直流母线电压后，就可以生成SVPWM，步骤如下。1连续不断地合成新的矢量，就能令电机产生圆形的磁场。新矢量的角度递增关系为 （2.12）式中：角频率，f是输出频率。2. 根据角度a落在6个不同区间，选择不同的有效矢量V1和Vmo。3. 有效矢量V1和Vm作用的先后次序，决定磁场的旋转方向，最终决定电机是正转或反转。4. 根据SVPWM生成方案，交由SVPWM状态机计算，得到计算结果。第三章 系统方案及硬件设计3.1系统方案异步电机变频调速系统硬件框图如图 3.1所示。系统主要由主电路模块和控制模块两部分组成。主电路采用交直交电压型逆变电路，主要由整流电路、滤波电路及
39、智能功率逆变电路组成，逆变电路则由IPM模块来完成。控制电路以DSP为核心，完成SVPWM算法，实现人机交互功能，同时，DSP还监控整个系统的运行状态，当系统出现故障时，DSP封锁PWM输出信号，防止发生故障而烧坏器件，确保系统的安全运行。图 0.1 系统硬件图本系统采用TMS320LF2407A，它是TI公司专为工业控制和电机控制推出的系列产品。这款DSP将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身。有如下特性：灵活的指令系统；高速的运算能力；大容量的存储能力；有效的性能价格比。主要应用领域包括：工业电机驱动；逆变电源；功率转换器和控制器；汽车系统；仪表和压缩机电机控制；机器人和计算机数字控制机
40、械。TMS320LF2407A具有2个事件管理器；32位中央算术逻辑单元；32位累加器；16位16位乘法器；3个比例移位器；间接寻址用的8个16位辅助寄存器和辅助算术单元；4级流水线操作；8级硬件操作；6个可屏蔽中断；544字的片内DARAM和2K字的片内SARAM；32K字片内FLASH程序存储器；64K程序存储空间；35.5K数据存储空间；I/0空间64K。此外还有功能强大的外设：串行通信接口SCI；串行外围接口 SPI；CAN总线控制器；事件管理器EV；A/D转换器；看门狗WD。TMS320LF2407A芯片是通过3条总线实施指令读取、泽码、取操作数、执行指令等操作。TMS320LF24
41、07A中有两个事件管理器EVA和EVB，它们都有一特殊硬件SVPWM状态机器件。因此2407A具有两个SVPWM状态机。本系统采用EVA，利用2407A内部自带的SVPWM状态机生成波形。3.2 主电路设计本系统采用交直交电压型逆变电路，主电路的额定容量为200W，主要由整流电路、滤波电路及逆变电路组成。选取整流桥为KBJ10A-10(即10A，1000V)，整流后的直流电压Udc=1.2Ul。主电路工作时，因为智能功率模块IPM的开关频率很高，开关动作时会在直流侧产生电流突变，由于主电路分别电感的存在，在IPM模块内部的IGBT的集电极和发射极以及直流母线上会出现浪涌电压，不但影响逆变器的工
42、作，还会损坏IGBT，因此需要在逆变桥上加上一个吸收缓冲电路，图 0.1中的电容C2和电阻R2就是一个吸收缓冲电路。C2为无极性电容，R2为无感电阻，二者接线时应尽量靠近IPM的直流进线端，减少电感可能引起的震荡。逆变电路由智能功率模块IPM来完成，这里选用三菱公司的智能功率模块IPM，选取额定电流20A、耐压600V的IPM模块:PM20CTM060。其内部结构如图 3.2所示。IPM供电电压为四组+15V电源。它有过流、过热、欠压、短路四种保护。有故障时，IPM低电平输出电流为10mA，宽度为1.8ms的脉冲信号，由于其内部的保护并不是针对反复出现的故障，所以一旦输出故障信号FO，系统必须
43、马上做出反应，停机检查，否则循环输出故障信号容易打坏模块。智能功率模块的选用，大大减少系统的体积，提高了系统的性能和可靠性。图 0.2 IPM内部结构图3.3 PWM驱动电路以u相上桥臂为例，其驱动接口电路如图 3.3所示，由于驱动电路控制电压是5V，而DSP输出的PWM脉冲电压幅值是3.3V，因此需要进行电平转换，本设计采用电平转换芯片74LVC4245实现从3.3V到5V的转换。光耦采用高速光耦芯片TLP521，在光耦的输入端接入限流电阻R7，防止电流过大烧坏光耦，在IPM的控制信号输入端连接上拉电阻R1R6，以防止由于du/dt的作用而产生误动作。图 0.3 PWM驱动电路3.4 故障保
44、护电路当IPM的FO引脚输出低电平脉冲，经光电耦合后把DSP的PDPINTA引脚也拉为低电平，此时所有的PWM输出管脚都呈高阻状态。同样，它与DSP的接口电路也需要进行电平转换，这里采用电阻分压的方式，具体接口电路如图 3.4所示。还设计有蜂鸣器报警电路，当故障信号输出时，蜂鸣器报警，提醒操作者第一时间做出反应，防止故障循环输出。图 0.4 FO故障输出信号触发电路键盘和液晶本实验平台的键盘输入采用44的矩阵式键盘，有0-9共10个数字按键和A-F共6个辅助按键。与DSP接口电路如图 3.5所示。本系统能够完成异步电机的变压变频调速实验，因此键盘的主要功能是输入频率指令值和启、停电机以及对电机
45、的加减速控制。键盘各个键的功能说明如表 31所示。图 0.5 键盘输入及液晶显示键值0-9ABCDEF功能频率输入加速减速待用删除启动停止表 01 键盘各值功能从附表中可以看到，实验充分利用了矩阵式键盘按键丰富、显示明确的特点，数字键和字母键分别实现不同的功能，赋值明确，一目了然，便于操作。系统显示采用液晶显示模块RT12232F。为了节省资源，尽量少占用DSP的I/O口，因此液晶显示采用串行控制方式。接口电路如图 0.5所示。将显示模块串口的同步时钟引脚(SCLK)和数据输入引脚(sid)与DSP的两个通用I/O相连;在对比度调整端通过接入10KW的电位器来调整显示器的背光和对比度，使显示更
46、加清晰。由于液晶显示模块的工作电压为5V，所以加入电平转换芯片实现电平转换。将液晶显示与键盘输入相结合，即能完成人机通讯的任务。这里液晶显示器可以实时显示键盘设定的频率和通过光电编码器测得的转速值。第四章 系统软件设计系统软件由主程序、中断程序和子程序组成。其中，主程序包括系统初始化和主循环等待;子程序包括电机运行频率和指令给定子程序、显示子程序;中断程序包括SVPWM波形的生成和功率驱动保护中断程序。系统主程序流程图如图 4.1 主程序流程图所示。使用的是目前最流行的七段式SVPWM波形生成法。利用DSP定时器的下溢功能产生中断，即进入子程序计算出下一个PWM周期的三个比较寄存器的比较值。程序可以实现调制波频率0-50Hz的变频功能、死区功能，其中载波频率和采样频率可以根据实际情况由软件进行设置。 图 0.1 主程序流程图
