基于TMS320LF2407A的SVPWM變頻系統(tǒng)

　　近年來，變頻技術飛速發(fā)展，脈寬調(diào)制(PWM)技術在變頻器中已經(jīng)得到了廣泛的應用。把逆變器和異步電機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制PWM電壓，使得磁鏈的軌跡靠電壓空間矢量相加得到，由此產(chǎn)生了電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術。使用該方法能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成分及電動機的諧波損耗，降低了轉(zhuǎn)矩的脈動。由于其控制簡單、噪聲低、電壓利用率高、方便實現(xiàn)數(shù)字化等優(yōu)點，目前已有取代傳統(tǒng)SPWM控制的趨勢。

　　TMS320LF2407A是TI公司推出的專用電機控制芯片的高端產(chǎn)品，他將DSP的高速處理性能和電機控制的必備外圍電路集于一身，為電機控制系統(tǒng)的整個數(shù)字化提供了一個完美的解決方案。

    1 電壓空間矢量技術的原理及實現(xiàn)方法

　　電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(SVPWM，也稱為磁通正弦PWM)是從電動機的角度出發(fā)，著眼于使電機獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通。他以三相對稱正弦波電壓供電時的理想圓形磁通軌跡為基準，用逆變器不同的開關模式產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準磁通圓，從而達到較高的控制性能。

　　實現(xiàn)SVPWM的方法有磁鏈圓軌跡法、電壓矢量合成法等。在這里采用了電壓矢量合成法，即采用2個非零矢量和2個零矢量合成一個等效的電壓矢量。如圖1所示，在某個時刻Wout旋轉(zhuǎn)到某個扇區(qū)中，就由組成這個扇區(qū)的2個非零矢量Ux和Ux+60分別作用于T1，T2時間，先作用Ux的稱為主矢量，后作用的Ux+60稱為輔矢量，時間分解如圖2(a)所示，為了計算方便本文采用圖2(b)去等效圖2(a)。

　　依圖2(b)有：

　　式中Tc為采樣周期。

　　取調(diào)制度：

　　故可得：

　　由此可見，在SVPWM中，調(diào)制度最大可取到1.15，這比SPWM所能達到的Mmax=1.O高出15%，使電源的利用率更高，這是SVPWM控制方式的一個主要優(yōu)點。

　　2基于TMS320LF2407A的SVPWM波形的產(chǎn)生

　　本文采用TI公司專為電機控制而推出的專用控制芯片TMS320LF2407A，產(chǎn)生恒壓頻比控制下的SVPWM波形。

　　事件管理模塊是整個控制系統(tǒng)的關鍵，首先要對他進行正確的配置。

　　首先將定時器設置成連續(xù)增/減計數(shù)方式，將PWM載波周期的一半作為周期寄存器的值。一開始，計數(shù)器做增計數(shù)，當計數(shù)值與周期寄存器的值相等或上溢時就變?yōu)闇p計數(shù);當計數(shù)器的值減到零時又變?yōu)樵鲇嫈?shù)。在計數(shù)器增計數(shù)的過程中，如果計數(shù)值等于比較寄存器的值，則PWM引腳上發(fā)生跳變，而在計數(shù)器減計數(shù)的過程中，再次計數(shù)到與比較寄存器的值相等時，PWM引腳上就會發(fā)生與剛才相反的跳變。這樣，只要改變比較寄存器的值，既可以改變輸出脈沖的寬度，實現(xiàn)脈沖寬度的調(diào)制。同時可以看出，比較值的改變影響PWM脈沖的雙邊，這就是對稱PWM波形的特點。

　　如果比較值等于0，則PWM引腳輸出始終為1;如果增計數(shù)和減計數(shù)時的比較值都≥周期值，則PWM輸出引腳保持為0。

　　在事件管理器的初始化程序中，為了產(chǎn)生對稱PWM波形，需將將定時器1配置成連續(xù)增/減計數(shù)方式，且使用內(nèi)部時鐘作為定時計數(shù)器的計數(shù)時鐘;將PWM1，PWM3，PWM5設置成高有效，PWM2，PWM4，PWM6設置成低有效。即當發(fā)生比較匹配(比較值=計數(shù)值)時，引腳PWM1，PWM3，PWM5上輸出正脈沖，而PWM2，PWM4，PWM6引腳上輸出負脈沖。在本程序中，生成SVPWM波形時使用的是異步調(diào)制法，即載波頻率不變，只是調(diào)制信號的頻率在變化。考慮到三相逆變器對PWM信號載波頻率的要求，取載波頻率為2.5 kHz，于是，載波周期就等于400μs。事件管理器的計數(shù)時鐘為CPU時鐘(40 MHz)的2分頻--20 MHz，所以，載波周期的值就應為400μs(8 000*1/20 MHz=400μs)，周期寄存器的值就應為200μs(載波周期的一半)。為了避免三相逆變器同一橋臂上的上下兩只IGBT同時導通而造成短路，需在PWM信號中加入一定的死區(qū)，本程序中的死區(qū)時間設為2.0μs。

　　由于定時器2用于正交編碼計數(shù)，故需將定時器2設為定向的增/減模式，并使用正交編碼脈沖作為計數(shù)脈沖。

　　3 軟件設計

　　軟件設計的基本思想是結合串口控制和DSP各自的優(yōu)點，利用控制面板方便的輸入、輸出功能和DSP的高速運算能力，將任務進行合理分配。同時亦可利用筆記本電腦的串口及專用的串口設置程序進行電機運行的必要設定。上位機的監(jiān)控界面使用Visual Foxpro編寫，此監(jiān)控界面可以實現(xiàn)變頻器的實時速度設定，并且可以對下位DSP運行情況，及外部狀態(tài)進行實時顯示。如遇到故障可進行故障報警并及時終止程序，保護硬件設備不受損壞。此界面里的數(shù)據(jù)只有獲得權限的工作人員才能使用，這樣有效地實現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)的保護。DSP的系統(tǒng)軟件由主程序和中斷服務子程序構成。

　　主程序在完成系統(tǒng)初始化之后進入循環(huán)，等待中斷的發(fā)生。當串行口中斷發(fā)生時，進行控制面板與LF2407A的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。接收串口的啟動、實時速度設定命令、同時檢測電流、轉(zhuǎn)速和發(fā)出6路PWM脈沖在DSP的定時器中斷服務子程序中完成;串口中斷同時定期的接收上位機的查詢狀態(tài)指令，這時DSP通過串口發(fā)送目前電機運轉(zhuǎn)的信息如目前實際轉(zhuǎn)速，以及檢測到的定子電流信息等。在此程序中，串口對DSP設定的電機運轉(zhuǎn)命令的大小是由主設定和輔助設定來來完成的。主設定和輔助設定之間的關系是主設定與輔助設定的和，是最終設定在電機運轉(zhuǎn)程序中的給定。在這里，主設定是對電機轉(zhuǎn)速粗略設定的作用，輔助設定則起到的作用是細微調(diào)節(jié)的作用。這樣的處理實現(xiàn)設定速度與實際所測得的轉(zhuǎn)速一致，以達到實現(xiàn)轉(zhuǎn)速精確控制的目的。主程序流程圖如圖4所示。

　　4 結 語

　　用TMS320LF2407A實現(xiàn)SVPWM的變頻控制系統(tǒng)，經(jīng)過電壓空間矢量PWM技術與DSP技術的結合，使電動機轉(zhuǎn)矩脈動降低，消除諧波效果比SPWM要好，可以提高電壓利用率。硬件電路結構簡單，SVPWM的實現(xiàn)更加方便、準確，更接近于理想正弦磁通控制。

　　采用1臺鼠籠式異步電動機，參數(shù)為：額定功率1.5kW，額定電流2.75 A，額定電壓220 V，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min。在空載情況下，相電流非常接近正弦波，實現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩控制。當系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩突然發(fā)生變化時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、相電流響應快速，穩(wěn)態(tài)誤差接近5%。通過實踐應用證明，本系統(tǒng)具有良好的動/靜態(tài)性能，結構簡單、可靠性及控制精度高、響應速度快，為DSP在運動控制領域的應用打下了基礎。