一種變頻調(diào)速系統(tǒng)的SVPWM控制設(shè)計(jì)

引言

目前，變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)過多年的研究已經(jīng)趨于成熟，尤其是普通的SPWM方案已經(jīng)普遍應(yīng)用于實(shí)際的變頻器中。其他控制方法如空間電壓矢量法、直接轉(zhuǎn)矩控制等策略的研究也已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的階段?？臻g電壓矢量PWM(Space Vector PWM，SVPWM)控制方法通過電壓矢量的控制優(yōu)化使磁通逼近基準(zhǔn)磁鏈圓，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，其控制效果等同于直接轉(zhuǎn)矩控制。從電機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電動機(jī)作為一個(gè)整體來考慮。與傳統(tǒng)PWM相比，其電流畸變小、直流電壓利用率高，在傳動系統(tǒng)和變頻電源裝置中有著廣泛應(yīng)用。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)由整流電路、濾波電路、智能功率模塊(IPM)、單片機(jī)(SPMC75F2313A)、光耦隔離電路、脈沖整形電路、過壓過流檢測電路及顯示電路等部分組成。整個(gè)系統(tǒng)由VB編寫的友好界面通過上位機(jī)進(jìn)行控制，可正反轉(zhuǎn)起停，還可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)速、測速，對電壓電流進(jìn)行監(jiān)測等功能。

1.1 SPMC75F2313A單片機(jī)

變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制內(nèi)核為凌陽的16位單片機(jī)SPMC75F2313A，適用于體積小、嵌入式的變頻系統(tǒng)。其內(nèi)部集成有專用于位置偵測的接口，以提高電機(jī)伺服系統(tǒng)的定位精度。DIP封裝引腳圖如圖2所示。其中，TCLKD和TCLKC引腳分別接光電編碼器的A、B相。

1.2 FSBB20CH60智能功率模塊

功率驅(qū)動部分主要由IPM模塊和光耦隔離電路組成。IPM模塊選用美國仙童公司生產(chǎn)的FSBB20CH60，引腳圖如圖3所示。該模塊適用于三相 DC/AC功率變換，內(nèi)部集成了過壓過流、欠壓欠流及熱保護(hù)等功能。光耦隔離由6路高速光耦6N137構(gòu)成，其作用是將單片機(jī)產(chǎn)生的SVPWM波與驅(qū)動電路隔離，防止波形受到干擾從而影響輸出電壓波形。

1.3 脈沖整形電路

如圖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的兩側(cè)不能共地，否則達(dá)不到隔離的目的，還可抑制電源側(cè)對信號輸出側(cè)的電磁干擾，能夠得到更優(yōu)秀的A、B相波形。

由ST公司的運(yùn)放LM339組成的遲滯比較器，其主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動時(shí)，適當(dāng)調(diào)整比較器的輸入電平差值即可避免比較器的輸出電壓因干擾或震動而發(fā)生改變。輸出狀態(tài)一旦轉(zhuǎn)換后，只要在跳變電壓值附近的干擾不超過△U之值，輸出電壓的值就將是穩(wěn)定的;但隨之而來的是分辨率降低，因?yàn)閷t滯比較器來說，它不能分辨差別小于△U的兩個(gè)輸入電壓值。遲滯比較器加有正反饋可以加快比較器的響應(yīng)速度，還可避免由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩。

其中，

在轉(zhuǎn)速不太低時(shí)，定子電阻壓降RsIs可忽略。Rs為定子電阻;us、Is、ψs分別為定子三相電壓、電流、磁鏈的合成空間矢量;φm是磁鏈的幅值，ω1為其旋轉(zhuǎn)角速度。電壓us也可表示為：

其中，uAO、u BO、uCO為A、B、C三相相對于原點(diǎn)O的電壓。

逆變的每相橋臂有兩種開關(guān)電平(+ud和-ud)，因此每周期逆變器共8種工作狀態(tài)。其中首尾兩種狀態(tài)是冗余的，狀態(tài)切換后分別形成6個(gè)空間電壓矢量和、磁鏈?zhǔn)噶浚鐖D5所示。如果想獲得更多或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，須在每個(gè)π/3時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)工作狀態(tài)，以形成更多相位不同的空間電壓矢量。圖6繪出了逼近圓形時(shí)的磁鏈?zhǔn)噶寇壽E。如果每周期只切換6次，當(dāng)電壓為u1時(shí)，磁鏈增量為u1△t=△ψ1，磁鏈軌跡呈六邊形。不同空間電壓矢量在不同時(shí)間作用下的線性組合就可得到所需相位的磁鏈增量。增加開關(guān)切換次數(shù)可使磁鏈逼近圓形，如圖6中的磁鏈增量由△ψ11、△ψ12、△ψ13、△ψ14、△ψ15、 △ψ16六段組成?！?psi;11是u1和u6在不同作用時(shí)間下合成的，即

其中，t1、t2為作用時(shí)間;T0為采樣周期。

2.2 SVPWM軟件實(shí)現(xiàn)

SVPWM中斷服務(wù)程序流程如圖7所示。測速編碼器將測得脈沖經(jīng)整形電路后送入單片機(jī)，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，設(shè)置定時(shí)器，在每次速度采樣的時(shí)間內(nèi)計(jì)算轉(zhuǎn)角增量和空間電壓矢量的相角，進(jìn)行SVP- WM波的調(diào)制。 此開放式教研系統(tǒng)還加入了二級控制系統(tǒng)，通過設(shè)置Twido PLC參數(shù)可對各個(gè)系統(tǒng)分別控制，也可由上位機(jī)直接控制。

用Matlab仿真得出電機(jī)三相線電壓和轉(zhuǎn)速曲線圖，如圖8和圖9所示。

從仿真結(jié)果可以看出，逆變器輸出的線電壓是按正弦規(guī)律變化的，轉(zhuǎn)速在啟動后稍有波動，之后一直處于穩(wěn)定的狀態(tài)，從而證明對SVPWM調(diào)制算法的分析是正確的。

結(jié)語

本文利用SPMC75F2313A和FSBB20CH60智能功率模塊構(gòu)成了變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要部件，采用優(yōu)秀的SVPWM調(diào)制技術(shù)，通過對空間電壓矢量的控制逼近磁鏈圓，使其輸出轉(zhuǎn)矩恒定，有效地降低了開關(guān)損耗和交流側(cè)的諧波畸變率，提高了直流側(cè)電壓利用率。目前，該調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)和研究。

參考文獻(xiàn)

1. 李愛文,張承慧.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

2. 明正峰,鐘彥儒.SVPWM技術(shù)在零電壓過渡三相逆變器中的應(yīng)用研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,22(6):56-61.

3. 于飛,張曉鋒,王素華.空間矢量PWM的比較分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,30(1):52-55.

4. 周衛(wèi)平,吳正國,唐勁松.SVPWM的等效算法及SVPWM與SPWM的本質(zhì)聯(lián)系[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(2):133-137.

5. 李峰,矢量控制系統(tǒng)中優(yōu)化PWM控制策略的研究[D].天津:天津大學(xué),2004.