基于DSP的交流控制系統

韓礎

（青島理工大學，山東 青島 266520）

與直流電機相比，交流電機的可控制性有所欠缺，但其具有結構牢固、運行可靠、成本低廉和高效率等特點，使其具有在工業應用、日常生活和科技研發等領域不可替代的地位。而要達到與直流電機相似的控制效果，交流調速系統必須采用更復雜、更有效、更新穎的控制算法，這些算法中包含了大量的數據運算和系統的實時性要求，這也為微處理器的發展創造了廣闊的應用空間。數字信號處理器的出現和普及，無意中為實現這些算法鋪平了道路。

1 硬件環境

1.1 系統框架

作為控制核心，DSP比單片機更具有無可替代的優勢。雖然單片機價格低廉，開發環境完備，也具有較強的位處理能力。但是，DSP具有更高的集成度、更快的CPU、更大容量的存儲器，內置有波特率發生器和FIFO緩沖器，提供高速、同步串口和標準異步串口，有的片內集成了A/D和采樣/保持電路,可提供PWM輸出。更為不同的是，DSP器件為精簡指令系統計算機 （RISC）器件，大多數指令都能在一個指令周期內完成，并且通過并行處理技術，在一個指令周期內可完成多條指令。DSP器件采用改進的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時存取程序和數據。內置高速的硬件乘法器，增強的多級流水線，使DSP器件具有高速的數據運算能力。DSP比16 bit單片機單指令執行時間快8～10倍，完成一次乘法運算快 16～30倍[1]。DSP器件還提供了高度專業的指令集，提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運算速度。此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先進的開發手段，批量生產測試更方便，開發工具可實現全空間透明仿真，不占用用戶任何資源。在電機控制方面，TI公司的C2000系列適合逆變器。C2000專門設計了能產生PWM的事件管理器（EV），用戶可以方便地用來生成PWM，調節死區等[2]。

交流調速系統主要由驅動單元、電流和位置檢測單元以及交流電機組成，其系統結構如圖1所示。驅動單元由交流電整流后的直流電供電，向交流電機提供旋轉所需的三相交流電。控制電路是系統中樞，它綜合處理速度信號、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息并控制功率變換器主開關的工作狀態，實現對交流電機運行狀態的控制。

系統選用交流電機為鼠籠異步電動機，三相定子繞組采用 Y形接法，額定功率180 W,額定電壓380 V,額定電流 0.6 A，同步轉速 1 500 r/min,額定轉差率 0.066，定子相阻抗 4.495 Ω，互感 149 mH，轉子阻抗 5.365 Ω，轉子感抗 162 mH,轉子漏抗 13 mH,轉子慣量0.95×10-3kgm2。

1.2 主電路設計

本系統控制電機主要是交-直-交變頻電路，主電路圖如圖2所示。

整流濾波電路將220 V變為直流電，再通過逆變電路將其變為頻率和電壓都可控制的三相交流電。串聯在整流橋和濾波電容器之間的電阻為限流電阻，當變頻器剛接入電源的瞬間，將有一個很大的沖擊電流經過整流橋流向濾波電容，使整流橋可能因此而受到損壞；同時，也可能使電源的瞬間電壓明顯下降，形成干擾。限流電阻就是為了削弱該沖擊電流而串接在整流橋和濾波電容之間的。電動機再生的電能經過續流二極管后反饋到直流電路，過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此當直流電壓超過一定值時，就要提供一條放生回路，將再生的電能消耗掉。這就是能耗制動電路，在濾波電路和逆變電路之間。逆變器中每橋臂導電180°，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120°，任一瞬間有三個橋臂同時導通，每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。阻感負載時需提供無功。為了給交流側向直流側反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管。每相并聯電容的目的是在IGBT通態時給電容充電，關斷時，電容放電，使晶體管施加反向電壓，使其關斷更加迅速，不會導致上下2個管子同時導通而造成直通。

1.3 雙閉環的速度、電流檢測

測速是閉環控制系統的關鍵。本系統采用光電編碼器。由光電編碼器產生的脈沖信號，送入光耦TLP550，隔離后的信號經過上拉電阻拉升電位后，通過帶延時的反向觸發器 74HC14，送入到 DSP的 QEP1口;另一路信號通過同樣的電路送入DSP的QEP2口。

系統中的電流檢測環節采用電流傳感器，型號為TBC02A02。該電流傳感器是利用霍爾效應和磁平衡原理制成的一種電流傳感器，能夠測量直流、交流以及各種脈沖電流，同時在電氣上高度絕緣。經過霍爾電流傳感器，需要檢測的電流信號按比例縮小為電壓信號，為了防止后續電路對這個電壓檢測信號的干擾，利用運算放大器“虛短”和“虛斷”的原理設計電壓跟隨器。

2 空間矢量PWM技術（SVPWM）

2.1 SVPWM簡介

SVPWM是近年發展的一種比較新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的6個功率開關元件組成的特定開關模式產生的脈寬調制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。空間電壓矢量PWM與傳統的正弦PWM不同,它是從三相輸出電壓的整體效果出發，著眼于如何使電機獲得理想圓形磁鏈軌跡[5]。SVPWM技術與SPWM相比較，繞組電流波形的諧波成分小，使得電機轉矩脈動降低，旋轉磁場更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實現數字化。

2.2 SVPWM基本原理

SVPWM的理論基礎是平均值等效原理，即在一個開關周期內通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉到某個區域中，可由組成這個區域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到[11]。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉，通過逆變器的不同開關狀態所產生的實際磁通逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結果來決定逆變器的開關狀態，從而形成 PWM 波形[7,8]。

由于逆變器三相橋臂共有6個開關管，為了研究各相上下橋臂不同開關組合時逆變器輸出的空間電壓矢量。(Sa、Sb、Sc)的全部可能組合共有 8個，包括 6個非零 矢 量 U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和兩個零矢量 U0(000)、U7(111)。

其中非零矢量的幅值相同（模長為 2Udc/3），相鄰的矢量間隔 60°，而兩個零矢量幅值為零，位于中心。在每一個扇區，選擇相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個扇區內的任意電壓矢量，等效成：

其中：

Uref為期望電壓矢量；

T為采樣周期；

Tx、Ty分別為對應兩個非零電壓矢量；

Ux、Uy和零電壓矢量在一個采樣周期的作用時間；其中U0*包括了U0和U7兩個零矢量。由于三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個等效的旋轉電壓，其旋轉速度是輸入電源角頻率，等效旋轉電壓的軌跡將是一個圓形。

三相電壓給定所合成的電壓向量旋轉角速度為ω=2πf，旋轉一周所需的時間為 T=1/f；若載波頻率是 fs，則頻率比為R=fs/f。這樣將電壓旋轉平面等割成R個小增量，亦即設定電壓向量每次增量的角度是：

假設欲合成的電壓向量Uref在第Ⅰ區中第一個增量的位置，欲用 U4、U6、U0及 U7合成，用平均值等效可得：UrefTz=U4T4+U6T6

在兩相靜止參考坐標系(α，β)中，令 Uref和 U4間的夾角是θ，由正弦定理可得：

2.3 SVPWM控制算法

通過以上 SVPWM的法則推導分析可知要實現SVPWM信號的實時調制,首先需要知道參考電壓矢量Uref所在的區間位置,然后利用所在扇區的相鄰兩電壓矢量和適當的零矢量來合成參考電壓矢量。經整理后得出：

按照上述過程，就能得到每個扇區相鄰兩電壓空間矢量和零電壓矢量的作用時間。

當Uref所在扇區和對應有效電壓矢量的作用時間確定后，再根據PWM調制原理，計算出每一相對應比較器的值。

利用空間電壓矢量近似原理，可總結出下式：

式中m仍為SVPWM調制系數,利用以上各式就可得到在第Ⅰ扇區的各相電壓平均值：

同樣可以推導出其他扇區的調制波函數，其相電壓調制函數如下：

從相電壓調制波函數看，輸出的是不規則的分段函數，為馬鞍波形。從線電壓調制波函數看,其輸出的則是正弦波形。

3 仿真實驗

3.1 SPWM仿真

在進行實際的電路焊接前，適當的仿真工作是必不可少的，這決定了自己設計的電路是否可行。用 “NI multisim 10”作為仿真工具對SPWM法進行仿真。為了得到驅動交流電機產生旋轉磁場，必須按照一定順序通斷逆變器的6個開關管，為此，搭建了仿真主電路，PWM產生電路仿真結果如圖3所示。

以上波形,是通過三角波和正弦波疊加的結果，是控制逆變器6個開關管的輸入信號，其中，上面3個開關管的信號依次相差120°，上下兩個開關管反相。

圖4中從A相輸出的電壓波形經過了逆變器和輸入的PWM波作用后，表現為正弦波形，B相和C相波形與A相波形完全相同，只是一次相差了120°。

3.2 SVPWM仿真

Matlab功能強大,其中的Simulink工具箱可以進行SVPWM的仿真。

通過搭建算法的結構圖，對算法進行仿真，得到圖5所示的驅動波形。從圖中可以看出，驅動波形是占空比不斷變化的方波。

在驅動波形通過逆變模塊后，得到圖6所示的三相交流電。從圖中可以看出，三相電壓每一相都是一種趨于正弦波得波形，且分別相差120°，這樣就能很好地模擬旋轉的磁場，從而驅動交流電機。

本文對以TMS320F2812 DSP為控制核心的交流異步控制系統的硬件、仿真等進行了詳細的說明與驗證，對控制方法SVPWM作了比較透徹的分析和推導。說明該方案具有相當的應用前景和研發價值，為批量生產和全面推廣作了認真的鋪墊，為今后創造更先進的算法和更完善的硬件打下基礎。但是，交流驅動還存在一些不足和缺點有待改進，算法模擬直流電機理論與實際有部分差距，這也為今后的研究制定了目標。

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