基于DSP的三相SVPWM变频调速系统的设计.doc

课 程 设 计 用 纸
教师批阅：

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 。

关键词：DSP；SVPWM；变频调速系统

目录

第1章 设计目的及意义 1
第2章 SVPWM基本原理 2
2.1 电压空间矢量脉宽调制法（SVPWM） 2
2.2 电压空间矢量技术的基本原理 3
2.2.1 三相逆变器输出电压的矢量表示 3
2.2.2 磁链轨迹的控制 5
2.3 SVPWM波的生成 6
第3章 系统方案及硬件设计 8
3.1 系统方案 8
3.2 主电路设计 9
3.3 PWM驱动电路 10
3.4 故障保护电路 11
3.5 键盘和液晶 12
第4章 系统软件设计 14
第5章 设计总结 15
参考文献 16
附录 程序清单 17

19

第1章 方案设计及论证
1.1 系统方案
异步电机变频调速系统框图如图1-1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 1-1 系统框图

1.2 方案论证
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。
TMS320LF2407A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。

第2章 SVPWM基本原理
2.1 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。
2.2 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，就能使瞬态输出空间电压矢量按一定的圆形轨迹旋转。

图 2-1 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 2-1 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 2-2 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α为调制比；γ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 2-3 空间矢量的线性合成
2.3 SVPWM波的生成
只要给定输出频率、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3章 系统硬件设计
3.1 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3-1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 3.1 IPM内部结构图
3.2 PWM驱动电路
以u相上桥臂为例，其驱动接口电路如图 3.2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R1～R6，以防止由于du/dt的作用而产生误动作。

图 3.2 PWM驱动电路
3.3 故障保护电路
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 3.3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 3.3 FO故障输出信号触发电路
3.4 键盘和液晶
本实验平台的键盘输入采用4×4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 3.4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、停电机以及对电机的加减速控制。键盘各个键的功能说明如表 31所示。

图 3.4 键盘输入及液晶显示
键值
0-9
A
B
C
D
E
F
功能
频率输入
加速
减速
待用
删除
启动
停止
表 31 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 3.4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4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 4-1 主程序流程图 图 4-2 中断子程序流程
第5章 调试结果
5.1
第6章 设计总结
通过这次课程设计，通过本次运动控制课程设计，学习和巩固了很多运动控制相关知识和DSP基础知识。从最初不熟悉设计流程到顺利完成整个设计，中间付出了辛勤的汗水和宝贵的时间。在设计过程中，不但学会了怎样运用已学的知识到实践当中，而且学会了怎么样有效地查找资料，提高工作效率，提高了管理和沟通能力。在设计过程当中，得到了老师和同学的热心帮助，感谢老师和同学的指导和帮助。
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。
该设计完全实现数字化，可靠性高，控制精度高，性能优良。

参考文献
[1] 孟庆春.电力拖动自动控制系统。沈阳：东北大学出版社，2005
[2] 王兆安. 电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[3] 张广溢. 电机学[M].重庆：重庆大学出版社，2002.
[4] 陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）[M]. 北京：机械工业出版社. 2005
[5] 阮毅,陈维钧.运动控制系统.北京：清华大学出版社.2006
[6] 夏杨.计算机控制技术。北京：机械工业出版社.2007
[7] 郁春兰.计算机原理与接口技术.北京：人民交通出版社.2007
[8] 李定仁.电机的微机控制.北京：机械工业出版社.2007
[9] 王军.自动控制原理[M].重庆：重庆大学出版社，2008.

附录 程序清单
.include "240x.h" ; 寄存器地址
.global _c_int0 ;全局化标号;
---------------------以下定义变量------------------------
ST0 .set 0 ;状态寄存器ST0
ST1 .set 1 ;状态寄存器ST1
.bss TEMP,1 ;临时变量
.bss SET_F,1 ;频率调节比,Q16格式(值为0-1,对应0-50Hz)
.bss THETA_S,1 ;θ-扇区数转换系数,Q15格式
.bss SECTOR,1 ;参考电压所在的扇区数,Q0格式
.bss THETA_90,1 ;90度,Q12格式
.bss THETA_180,1 ;180度,Q12格式
.bss THETA_270,1 ;270度,Q12格式
.bss THETA_360,1 ;360度,Q12格式
.bss DEC_MS,24 ;6个逆阵,Q14格式
.bss T1_PERIODS,1 ;定时器1周期值,Q5格式
.bss CMP_1,1 ;第1基本矢量,Q0格式
.sect ".vectors" ;定义主向量段
RESET B _c_int0 ;地址0000H，复位，优先级1
INT1 B PHANTOM ;地址0002H，INT1，优先级4
INT2 B _C_INT2 ;地址0004H，INT2，优先级5
RESERVED B PHANTOM ;地址000EH，测试，优先级10
SW_INT8 B PHANTOM ;地址0010H，自定义软中断
SW_INT27 B PHANTOM ;地址0036H，自定义软中断
SW_INT28 B PHANTOM ;地址0038H，自定义软中断
SW_INT29 B PHANTOM ;地址003AH，自定义软中断
SW_INT30 B PHANTOM ;地址003CH，自定义软中断
SW_INT31 B PHANTOM ;地址003EH，自定义软中断;
----------------------------- 定义子向量段----------------------------
.sect ".pvecs" ;定义子向量段
PVECTORS B PHANTOM ;偏移地址0000H
B PHANTOM ;偏移地址0001H
B PHANTOM ;偏移地址0002H
B PHANTOM ;偏移地址002FH
B PHANTOM ;偏移地址0030H
B PHANTOM ;偏移地址0031H
B PHANTOM ;偏移地址0032H
B PHANTOM ;偏移地址0033H
B PHANTOM ;偏移地址0034H
B PHANTOM ;偏移地址0035H
B PHANTOM ;偏移地址003FH
B PHANTOM ;偏移地址0040H
B PHANTOM ;偏移地址0041H
.text;
---------------------------系统初始化程序--------------------------
_c_int0
SETC INTM ;禁止中断
CLRC CNF ;B0为数据存储区
LDP #224
SPLK #68H,WDCR ;不用看门狗
LDP #225
LACC MCRA
OR #0FC0H ;设置PWM1-6引脚
SACL MCRA;
---------------------------中断初始化程序---------------------------
LDP #0
SPLK #0FFH,IFR ;清所有系统中断标志
SPLK #00000010B,IMR ;开INT2中断
LDP #232
SPLK #0200H,EVAIMRA ;开T1下溢中断
SPLK #16000,T1_PERIODS ;T1周期值的Q5格式,500*32
SPLK #11585,MAX_V ;最大参考电压幅值 SPLK #10053,F_OMEGA ;频率调节比-角频率转换率,Q5格式
CHK_UPLIM
SACL THETA_M ;在第四象限
LAR AR0,TEMP ;指向该地址
LACC CMP_0
ADD CMP_1
ADD CMP_2 ; CMP_0+CMP_1+CMP_2
SACL * ; 送入该比较器
B REST ; 返回
.data ;
------------------------------------数据段-----------------------------------
.word 4516,4790,5063,5334,5604
.word 5872,6138,6402,6664,6924
.word 7182,7438,7692,7943,8192
.word 8438,8682,8923,9162,9397
.word 9630,9860,10087,10311,10531
.word 10749,10963,11174,11381,11585
.word 11786,11982,12176,12365,12551
.word 12733,12911,13085,13255,13421
.word 13583,13741,13894,14044,14189
.word 14330,14466,14598,14726,14849
.word 14968,15082,15191,15296,15396
.word 15491,15582,15668,15749,15826
.word 15897,15964,16026,16083,16135
.word 16182,16225,16262,16294,16322
.word 16344,16362,16374,16382,16384
.end