一種ＳＶＰＷＭ交流調速系統的設計

[摘要] 本文選取LF2407A為控制芯片，以數字脈寬調制方法為基礎，將系統控制中的SVPWM空間矢量調制算法通過DSP編程來實現，最終完成以SVPWM空間矢量調制技術為核心的三相交流調速系統。

[關鍵詞] SVPWM交流調速系統設計

交流電動機的變頻調速系統是各種調速系統中最為優越的一種電力拖動系統，它和其它的調速系統相比，具有良好的調速性能和節能效果。隨著新型電力電子器件的不斷出現，脈寬調制技術(PWM)和正弦脈寬調制技術(SPWM)在交流調速系統中已經得到越來越多的應用。雖然傳統交流調速系統中的數字脈寬調制方法多采用規則采樣技術，即求取三角載波與所希望的調制函數相比較的直接數學方程式，PWM信號可以通過計算這個數學方程式來獲得。這種數字脈寬調制方法僅是對模擬自然采樣的三角波——正弦波SPWM方法的近似。但常規的SPWM不能充分利用饋電給逆變器的直流電壓，調節過程中依然會有某些高次諧波分量，從而引起電機發熱、轉矩脈動和系統振蕩等。目前電壓矢量脈寬調制技術(SVPWM)以其物理概念清晰，算法簡單，易于實現的特點，在中小功率調速系統中得到了廣泛的應用 。

一、SVPWM的基本原理及組成

圖1 典型的三相電壓源變換器結構

圖2基本矢量Vref及在α-β平面上的投影

如圖1所示，在電壓型逆變器電路中， 當上橋臂開關管導通時相應的下橋臂開關管截止，上橋臂開關管截止時相應的下橋臂開關管導通。設當上橋臂開關管導通時對應的開關變量為1，關斷時為0。電壓型逆變器六個開關管共有八種工作狀態，產生八個電壓矢量，其中只有六個有效的電壓矢量。通過三相／兩相變換，可將相應于表1的八種組合的相電壓映射到 平面，得到六個非零電壓矢量(V1-V6)和兩個零電壓矢量(V0、V7)。非零電壓矢量構成正六邊形的軸線，其夾角是6Oo，兩個零電壓矢量位于坐標原點。圖2給出了基本電壓矢量和所需的電機電壓矢量Vref，在α-β平面的投影。SVPWM方法的目的是通過與六個開關管的八種開關狀態相應的基本電壓矢量來逼近電機所需要的電壓欠量Vref。

二、基于DSP的SVPWM調速系統的設計

1.硬件設計

針對SVPWM控制系統的特性，研制了基于DSP的三相交流電機SVPWM調速控制系統。采用的控制系統主要由DSP接口電路、功率驅動電路、三相逆變電路、邏輯控制電路及保護電路等組成。電流信號由DSP的A／D轉換接口輸入。DSP根據控制指令、參考速度指令及反饋轉速輸出SVPWM脈沖信號，驅動IGBT構成的橋式逆變電路控制電機。功率驅動電路采用光偶驅動并加硬件互鎖，在硬件上防止上下橋臂發生直通現象。

三相逆變電路采用由IGBT構成的三相全橋電路。為減少由于IGBT在開關過程中對其他管子的干擾，在電路中加入緩沖電路，以使IGBT的開關強度降低。同時在軟件中降低PWM的開關頻率，增加死區寬度。實驗證明，在220V交流輸入時，電路能可靠地工作。采用過壓、欠壓及過流保護電路：過壓、欠壓保護電路采取在220V交流輸入端的分壓電路，經整流后接人比較器LM393，當有過壓或欠壓發生時，LM393輸出低電平，當DSP檢測到XINT1引腳為低電平時，則產生外部中斷，在中斷程序中判斷來到的過、欠壓信號是否為真的發生過壓或欠壓。如果DSP判斷系統真的發生過、欠壓，則DSP封鎖PWM輸出，否則DSP正常輸出PWM。過流保護電路檢測采樣電阻的電壓大小，當有過流發生時，LM393輸出一低電平，DSP產生一個PDPINT的中斷，并封鎖PWM的輸出。

2.軟件設計

整個控制系統軟件由主程序、服務子程序和中斷子程序組成。主程序完成芯片初始化、變量的初始化等。服務子程序完成A／D轉換、鍵盤掃描、SVPWM算法等。

本文根據SVPWM算法處理的周期，確定使用LF2407A事件管理器中的定時器1作為SVPWM算法處理的時基，同時SVPWM算法處理程序置于該定時器的下溢中斷服務程序之中。由于定時器1的下溢中斷處于第2級可屏蔽中斷源INT2中，設置中斷屏蔽寄存器IMR為010(二進制數)，且以LF2407A的40M主頻為計數時鐘，通過定時器1的時鐘控制寄存器T1CON將定時器的工作模式設定為對稱模式，其周期寄存器T1PR值為3333。通過以上設定可初步完成6K的SVPWM采樣頻率配置。

實驗證明系統在施加恒負載的情況下，電機啟動電流波形穩定。電機從0加速到穩定的1500r／min和從0加速到穩定的2000r／min分別用時7.1s和8.6s。啟動過程的相電流波形顯示出對系統施加恒負載時，系統具有良好的控制能力，啟動時間較空載啟動時間稍短。

通過本文設計的硬件電路控制系統成功地完成了三相電動機SVPWM矢量控制。運用SVPWM調制方法能夠較好地減小勵磁電流中的諧波分量，同時增大逆變器的電壓輸出能力。

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