基于DSP的交流電動機變頻調速控制系統

在許多應用場合，往往需要精確的速度控制，而傳統的以單片機為核心的控制系統，由于本身運算能力不強，指令效率低，外圍電路結構復雜，使得交流電機的復雜控制的應用受到了限制。ti公司于1997年推出的專用于電機控制的tms320f24x的dsp處理器，集強大的運算能力與專用于電機控制的外設于一體，使這種需要成為了可能。本控制系統充分利用了dsp提供的各種功能，設計了結構簡單的交流電動機vvvf控制系統，該系統用于驅動igbt逆變器。本文重點對u／f曲線的選擇、svpwm的控制策略，母線電壓波動時pwm輸出波形的補償以及軟件構成作了重點討論。在本文后面給出了實驗波形，實驗波形表明該系統具有較好的性能。

2　控制結構

本系統采用了vvvf的變頻控制方法，具體的控制結構框圖如圖1所示。

2.1　u／f比的選擇
　　
（1）線性0：電機電壓在0 hz到弱磁點的恒磁通范圍內隨頻率線性變化，弱磁點對應的電機電壓為額定電壓，線性u／f比應用于近似于恒轉矩場合的壓降不可忽略，若實現恒轉矩控制將對電壓補償，如圖2中的虛線部分所示。
　　
（2）平方性1：電機電壓隨頻率的變化在0 hz到弱磁點的范圍內按一條平方曲線，弱磁點以下是欠磁運行，產生的轉矩和機電噪聲都較小。u／f比可用于負載的轉矩的需求正比于轉速平方的場合，例如離心泵與風機。

2.2　svpwm軟件實現
　　
在電機驅動中，廣泛應用了pwm控制技術，pwm就是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成脈沖列，并通過控制脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓、變頻及控制和消除諧波的目的。隨著電氣傳動系統對其控制性能的要求不斷提高，人們對pwm控制技術展開了深入研究：從最被追求電壓波形正弦，到電流波形正弦，再到磁通的正弦，pwm控制技術不斷創新和完善，如本文中所用的空間電壓矢量pwm（控制磁通正弦）就是一種優化的pwm方法，能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成分及電機的諧波損耗，降低脈動轉矩。由于其控制簡單，數字化實現方便，目前已有替代傳統spwm的趨勢。
　　
在軟件實現時，svpwm波形的實時調制需要給定參考兩相靜止坐標系上的兩個正交電壓分量vsαref和vsβref，直流母線電壓vdc，以及pwm周期t。
　　
（1）判斷矢量vsref所處的扇區　通過分析vsαref／vsβref的值與vsαref和vsβref的關系，可得到如下規律：

則扇區sector＝a＋2b＋4c

svpwm的空間矢量和扇區的劃分以及第3扇區的空間矢量的合成如圖3所示。
　　
（2）計算逆變器相鄰兩個電壓空間矢量工作導通時間t1、t2

為了方便說明，定義中間變量x、y、z

在線性工作區對于不同扇區對應的工作周期t1、t2按表1取值：

在非線性區飽和情況下的計算：

其中pwmprd為周期寄存器的值，在控制程序中該值為1000。

（3）計算三個所需的工作周期，表示如下：

根據扇區，把正確的工作周期（tx）分配給電機的正確相，也就是正確的cmprx。下面的表2給出了確定方法。圖4給出了第3扇區pwm開通模式以及cmprx的取值。

2.3　母線電壓檢測與pwm輸出的修正（或補償）
　　
本文采用對母線電壓的檢測來修正（或補償）pwm的輸出。在理想的情況下，逆變器的pwm輸出可認為是隨母線電壓固定不變而保持穩定的，但實際的系統中，母線電壓是隨負載的變化而變化的，如果忽視了這種變化，逆變器的輸出就會發生畸變，從而引入低次的諧波。如果pwm的占空比能根據母線電壓的變化得到修正，那么逆變器的輸出就不會受母線電壓變化的影響。

下面以a相pwm為例介紹一種母線電壓變化的校正方法。
　　
在理想的情況下，一個采樣周期中定子a相電壓值可表示為：

其中cmprd為周期寄存器的值，在控制程序中該值為1000。
　　
實際系統中，由于電容兩端的電壓有波動，一個采樣周期中定子a相電壓值可表示為：

式中為實際檢測到的電容兩端的電壓值，為一個pwm周期的igbt的開通時間的一半，即cmpr1的修正值。

a相電壓的補償值能根據上面兩個方程由等式可計算校正值：

同理可得到校正b、c相電壓的
　　
母線電壓的采樣用lem電壓傳感器，lem采用±15v直流供電，并使電壓檢測回路與主回路隔離。為了實現10 khz的開關頻率，每100μs需采樣電壓一次。為此pwm采用周期為10 khz的對稱的pwm方式，在定時器1（專用pwm）的周期匹配時啟動a／d轉換。這樣使cpu的干擾最少。

3　軟件構成
　　
基于tms320f240的軟件算法的流程圖如圖5所示。
　　
本軟件在實現電機的實時控制過程中只調用一次定時器下溢中斷，中斷周期為100μs。在中斷服務程序中完成的功能包括：設置v／f曲線模式、電壓信號采樣、鍵盤掃描和全部的計算，在程序等待循環的時間內執行顯示功能。

4 實驗結果

本文中將控制器輸出通過igbt模塊直接驅動電機。該電機為三相交流異步電機（380 v，30kw），定子線圈采用星型接法，并帶一它勵直流發電機110v，3kw作為負載，使用tektronix記憶示波器tds340 a（100 mhz），110的探頭。dsp控制板輸出pwm波形和濾波后的電壓波形以及帶負載測得的電流波形如圖6所示。

5　結論
　　
本系統基于tms320f240實現對交流電機的變頻調速控制，開關頻率高，諧波分量少。在控制過程中每執行一次采樣調用一次中斷，在中斷服務程序中完成信號采樣、鍵盤掃描和全部的計算等任務，在程序等待循環的時間內執行顯示功能，由于tms320f240的指令周期為50 ns，使得整個程序完成的時間不到40μs，這樣大大提高了運算效率。與其它單片機，例如51系列，96系列等相比較，在實現svpwm控制時，軟件編寫簡單，每周期內中斷次數少，實時性更好，而cpu的負擔也不到40％，這樣cpu可以有很大能力去完成其它的任務，實現更復雜、功能更全的控制。