基于SVPWM算法的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

文章先通過闡述變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本構(gòu)成、SVPWM算法的基本原理、參數(shù)計(jì)算以及實(shí)現(xiàn)方法，然后給出SVPWM算法在DSP2407上實(shí)現(xiàn)的具體計(jì)算過程，最后經(jīng)過試驗(yàn)，驗(yàn)證整套系統(tǒng)能夠正常并準(zhǔn)確工作。同時(shí)基于MATLAB/Simulink設(shè)計(jì)了仿真模型進(jìn)行算法仿真，仿真波形與理論基本相符，證實(shí)了該方案的可行性。

1.引言

隨著新型電力電子器件的不斷更新，變頻調(diào)速技術(shù)得到了極大的發(fā)展，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展、豐富和完善，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的調(diào)速方式。

然而傳統(tǒng)的SPWM技術(shù)存在一些缺點(diǎn)，SPWM技術(shù)著重在使逆變器輸出的電壓盡量接近于正弦波，但電動(dòng)機(jī)需要的是在氣隙中形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，這些是SPWM技術(shù)不易做到的，而SVPWM技術(shù)是把逆變器和電機(jī)作為一個(gè)整體來考慮，控制電壓空間矢量，使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，逆變器輸出諧波小，諧波損耗小，因此它的應(yīng)用日益廣泛。

2.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻器、電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)三大部分構(gòu)成，有時(shí)還包括負(fù)載?？傮w結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

變頻器是一個(gè)能改變頻率的交流電源?？刂葡涤弥饕煽刂破骱碗娏?、轉(zhuǎn)速等檢測(cè)儀器組成，用于按照給定指令，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，完成傳動(dòng)任務(wù)。電動(dòng)機(jī)主要是異步電動(dòng)機(jī)，少數(shù)場(chǎng)合使用同步電動(dòng)機(jī)。負(fù)載即各類工作機(jī)械、設(shè)備，用于完成各種生產(chǎn)任務(wù)。

3.SVPWM算法原理與實(shí)現(xiàn)

SVPWM的工作原理是將逆變器和電動(dòng)機(jī)看成一個(gè)整體，依據(jù)電機(jī)磁鏈和電壓的關(guān)系，用8個(gè)基本電壓矢量合成期望的輸出電壓矢量，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速。

3.1 兩電平逆變器

一般低壓逆變器的輸入為一個(gè)單一的直流電源，當(dāng)對(duì)此恒定的直流電壓進(jìn)行脈寬調(diào)制，輸出為幅值一定的PWM波。如果設(shè)直流電壓為，以低壓節(jié)點(diǎn)為零電位，經(jīng)過逆變器得到的一定的PWM波只有兩個(gè)電平，即和0,因此這種逆變器稱為兩電平逆變器，如圖2所示：

逆變器用6個(gè)IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)V1-V6構(gòu)成三相逆變橋，V1、V3、V5為共陽極組，V2、V4、V6為共陰極組，每個(gè)橋臂2個(gè)IGBT串聯(lián)，從連接點(diǎn)引出三相接線，把一個(gè)周期分為360°，將V1-V6以相隔60°的電角度依次導(dǎo)通，每個(gè)IGBT導(dǎo)通180°。任一時(shí)刻有三個(gè)IGBT導(dǎo)通，同橋臂的另一個(gè)IGBT必須關(guān)斷，這樣工作逆變器可以對(duì)三相負(fù)載輸出三相交流電。

一般情況下兩電平逆變器六拍運(yùn)行時(shí)，每隔60°切換一次，共有8種開關(guān)狀態(tài)，按a、b、c相序可表示為100、110、010、011、001、101、000、111.每一種開關(guān)狀態(tài)輸出合成電壓空間矢量out u 分別記為u1、u2、u3、u4、u5、u6、u0、u7,統(tǒng)稱為基本矢量，其中u1-u6為有輸出數(shù)值的矢量，稱為非零矢量，u0、u7無電壓輸出，稱為零矢量。8個(gè)電壓矢量的空間分布如上圖3所示，各矢量之間可分為六個(gè)扇區(qū)(Ⅰ-Ⅵ)，電壓矢量若按逆時(shí)針方向切換使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，若按順時(shí)針方向切換使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.2 SVPWM算法實(shí)現(xiàn)

通常來說，SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)主要分一下幾步：

計(jì)算電壓矢量out U 所在扇區(qū)。

計(jì)算out U 所在扇區(qū)起始矢量和終止矢量的作用時(shí)間T1、T2.

通過T1、T2計(jì)算各扇區(qū)調(diào)制波形三相導(dǎo)通時(shí)間。[!--empirenews.page--]

3.2.1 計(jì)算電壓矢量所在扇區(qū)

( 1 )首先將電壓矢量out U 分解到α、β軸上，α軸上分量為á u 、β軸上分量為 u ,計(jì)算參考值 ref 1 U 、 ref 2 U 、 ref 3 U :

(3)通過N的數(shù)值從表1中查出矢量out u所在扇區(qū)#1

通過以上3個(gè)步驟可以確定出合成電壓矢量所在的扇區(qū)。

3.2.2 計(jì)算Uout所在扇區(qū)起始矢量和

終止矢量的作用時(shí)間T1、T2當(dāng)確定合成電壓矢量所在扇區(qū)之后，設(shè)該扇區(qū)起始矢量作用時(shí)間為T1,截止矢量作用時(shí)間為T2.

如圖4所示U1和U2表示相鄰的兩個(gè)基本電壓空間矢量，Uout表示輸出電壓矢量，其幅值代表電壓矢量的幅值，其旋轉(zhuǎn)角速度代表正弦電壓的角頻率，Uout可由U1和U2合成，即：

根據(jù)正弦定理可得：

計(jì)算出t1、t2后還需要加入零矢量來調(diào)節(jié)矢量作用的總時(shí)間，使得矢量旋轉(zhuǎn)的角速度等于給定的角速度。要注意的是，零矢量的加入一般要放在程序的開始或結(jié)束階段，這樣可以防止電壓跳變。

值得注意的是，當(dāng)運(yùn)行的電機(jī)突然加、減速時(shí)，系統(tǒng)的電壓矢量Uout可能會(huì)超過逆變器輸出的最大電壓矢量值，這種情況稱為過調(diào)制。為了避免過調(diào)制，我們需要對(duì)電壓矢量的作用時(shí)間做出修正，首先我們要計(jì)算出t1、t2的和是否大于Tpwm,若t1、t2的和大于Tpwm,則我們計(jì)算修正值，設(shè)修正后的起始矢量和終止矢量的作用時(shí)間為t11、t22,有：

3.2.3 通過T1、T2計(jì)算各扇區(qū)調(diào)制波形三相導(dǎo)通時(shí)間

以第一扇區(qū)為例，第一扇區(qū)的起始矢量為100,作用時(shí)間為t1,終止矢量為110,作用時(shí)間為t2,加入零矢量，作用時(shí)間為t0,每次切換應(yīng)該只有一個(gè)開關(guān)動(dòng)作，如圖5所示：

在TMS320F2407中，有三個(gè)全比較單元，可生成6路PWM波。包括1個(gè)計(jì)數(shù)寄存器和三個(gè)比較寄存器，3個(gè)比較寄存器分別為CMPR1、CMPR2、CMPR3.計(jì)數(shù)器采用連續(xù)遞增遞減模式計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器在0到計(jì)數(shù)周期這段增計(jì)數(shù)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器的值相等時(shí)，輸出電平發(fā)生一次跳變;在計(jì)數(shù)器達(dá)到計(jì)數(shù)周期時(shí)，計(jì)數(shù)器將開始減計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器再次與比較寄存器相等時(shí)，輸出電平再次跳變。所以需要將計(jì)算出的aon t 、bon t 、con t 的值分別付給CMPR1、CMPR2、CMPR3.通過不斷改變比較寄存器的值，得到不同占空比的PWM信號(hào)輸出控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的矢量控制。

4.結(jié)語

本文提出了一套基于TMS320F2407芯片的變頻調(diào)速技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，該方案中的硬件平臺(tái)以DSP為核心，系統(tǒng)中采用SVPWM算法來實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。先通過闡述變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本構(gòu)成、SVPWM算法的基本原理、參數(shù)計(jì)算以及實(shí)現(xiàn)方法，然后給出SVPWM算法在DSP2407上實(shí)現(xiàn)的具體計(jì)算過程，最后經(jīng)過試驗(yàn)，驗(yàn)證整套系統(tǒng)能夠正常并準(zhǔn)確工作，從而證實(shí)了該方案的實(shí)用性。