基于DSP的異步電機SVPWM控制系統及優化研究

于國慶，張 穎，李永偉，韓京津，袁 濤，張華英

（1.河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018；3.石藥集團中諾藥業（石家莊）有限公司，河北石家莊 050041）

基于DSP的異步電機SVPWM控制系統及優化研究

于國慶1，張 穎2，李永偉2，韓京津2，袁 濤2，張華英3

（1.河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018；3.石藥集團中諾藥業（石家莊）有限公司，河北石家莊 050041）

以TMS320LF2407型DSP為控制核心構建一全數字化空間電壓矢量脈寬調制控制系統，闡述了電壓空間矢量脈寬調制（SVPWM）的基本原理和控制實現方法，針對感應電機負載特性，對開關損耗和諧波特性2個方面進行分析，提出適于感應電機負載的優化策略。最后用Matlab的Simulink對異步電動機的SVPWM的控制系統進行仿真，仿真結果表明該系統可提高能量的利用率，諧波減少，結構簡單，便于控制，同時具有轉矩脈動小、噪聲低、電壓利用率高等優點。

異步電機；電壓空間矢量脈寬調制；數字信號處理；開關損耗；諧波特性；Simulink

矢量控制作為一種先進的控制方法，被廣泛應用于電機的控制領域。它主要是將異步電機的模型轉換成直流電機的模型，目的是使異步電機的控制效果達到直流電機的控制效果。而專用于電機的出現克服了異步電機矢量控制中繁瑣的運算，并實現了系統的數字化。在眾多矢量控制方法中，電壓空間矢量脈寬調制（SVPWM）具有電流諧波少、轉矩脈動小、噪聲低、控制電路簡化及系統的可靠性高等優點。筆者以TI公司生產的專用于電機控制的TMS320LF2407型DSP為控制核心，并在此基礎上進行了數字化SVPWM變頻調速控制系統的研究。

1 SVPWM原理

SVPWM是以三相對稱正弦波電壓供電時三相異步電機定子理想磁鏈圓為參考標準，用三相逆變器開關的不同模式作適當的切換，所形成的實際磁鏈矢量來追蹤其標準磁鏈圓，從而形成PWM波。與傳統的SPWM方法相比，SVPWM方法將逆變系統和異步電機作為整體來考慮，模型比較簡單［1］。三相電壓型逆變器結構如圖1所示，V1—V6為開關管。逆變器輸出的合成電壓空間矢量表達式如式（1）所示。

圖1中6個開關管有8種允許的開關組合，假設晶體管導通用 “1”表示，截止用 “0”表示，并依a，b，c相序依次排列，則這8種工作狀態可相應表示為U1（001），U2（010），U3（011），U4（100），U5（101），U6（110），U7（111）與U0（000）。根據電機模型，這8種狀態可以用矢量關系表示，圖2為三相電壓型逆變器的電壓空間矢量。從圖2可以看出，U1—U6是6個非零矢量，U0，U7是2個位于原點的零矢量。SVPWM的目的就是通過控制這6個功率開關的8種工作狀態來實現任意時刻電機工作所需要的電壓矢量。

2 SVPWM調制優化方案

針對感應電機的負載特性，本設計主要從降低開關損耗和諧波損耗2方面進行優化。SVPWM調制過程中，根據2個零矢量的不同匹配方式可以產生多種不同特性的PWM波形。SVPWM的調制方法有連續的SVPWM調制和不連續的SVPWM調制方法，而不連續的SVPWM調制又分為非對稱性調制和對稱性調制。本設計采用的對稱調制的方式：在奇數扇區內，選用矢量電壓U7；在偶數扇區內，選用矢量電壓U0。這種調制方式可以將開關損耗降低41%，并且其電壓的利用率高，開關頻率低。

根據電流諧波的特性，定義相諧波電流有效值在1個周期內的輸出頻率的平均值如式（2）所示。

根據電機學的原理和參考文獻［3］，可知上述的調速方式有更寬的調制比變化范圍（m＞0.72）。此時諧波損耗和諧波轉矩脈動較小。因此這種優化方案能達到降低開關損耗和諧波損耗的目的。

3 系統硬件設計

本系統采用主回路為電壓型的“交—直—交”變頻結構，主要由整流電路、濾波電路以及智能功率模塊（IPM）組成，控制電路由TMS320LF2407芯片為核心，采用電壓空間矢量算法生成PWM波形［4］。檢測電路包括電流檢測單元和轉速檢測單元，DSP用于控制各相電流采樣、轉速采樣并計算電機的轉速和位置；最后運用矢量算法得到電壓空間矢量脈寬調制的信號，輸出6路PWM波形，經過光耦隔離驅動保護電路輸送給逆變器的功率開關器件驅動異步電機［5］。圖3為基于DSP的異步電機控制系統的結構框圖。

4 系統軟件設計

系統軟件控制程序主要由主程序和SVPWM中斷服務子程序組成。主程序主要完成DSP的初始化、參數設定和故障判斷。SVPWM中斷服務子程序主要完成電流、轉速的采樣，進行矢量變換以及輸出SVPWM波形。系統的軟件控制程序流程圖如圖4、圖5所示。

圖3 系統結構框圖Fig.3 Diagram of system structure

5 SVPWM的Simulink仿真及結果

為了更好地驗證模型的正確性，應用Matlab中的Simulink對異步電機的SVPWM控制系統進行仿真。SVPWM的合成算法主要分為以下幾步。

在SVPWM調制時以Vref在二維靜止坐標系α軸和β軸的分量Vα和Vβ以及PWM周期T作為輸入［6］。T1，T2和T0為一個扇區內2個非零矢量和零矢量的作用時間。

1）要判斷矢量Vref所處的扇區。分析Vα和Vβ的關系，可得到如下的規律：定義3個變量A，B，C。如果因此，扇區N＝A＋2B＋4C。

2）為了方便表示6個扇區內的電壓矢量合成，定義了3個輔助變量X，Y，Z。定義如下：

3）計算不同扇區的T1，T2，取值參考見表1。

4）計算矢量切換點Tcml，Tcm2，Tcm3。根據空間矢量切換點導通晶閘管產生PWM波形。圖6為第3扇區的三相PWM 調制模型，以其為例得矢量切換點的計算公式為Ta＝（T0－T1－T2）／4，Tb＝（Ta＋T1／2），Tc＝（Tb＋T1／2）。其他扇區同理可以求得，整理結果如表2所示。

圖6 第3扇區的三相PWM調制模式Fig.6 The three-phase PWM mode of the third sector

表1 T 1，T 2 取值表Tab.1 Value table of T 1，T 2

表2 各扇區切換點Tab.2 Switch points of each sector

根據以上模型的建立結合一臺三相異步電機進行仿真。異步電機的參數設置如下：線電壓為380 V；額定頻率為50 Hz；定子內阻為0.087Ω；定子漏感為0.8 m H；轉子內阻為0.228Ω；轉子漏感為0.8 m H；定、轉子漏感為34.7 m H；極對數為2。仿真方法選擇Variable-step（可變步長），仿真時間設為3 min。運行模型得到系統的輸出，包括電機轉速、電磁轉矩、相電壓等，輸出如圖7、圖8、圖9所示。

實驗結果分析：在仿真的基礎上采用基于TMS320LF2407型DSP設計的控制系統對三相異步電機進行調速實驗。三相異步電機為J02型，Y型接法，額定轉速為1 430 r／s，額定電壓為380 V，額定電流為4.98 A。

圖10為采用此優化方案時產生的相電壓、相電流的實驗波形。圖中IGBT的開關頻率為10 k Hz，逆變器的輸出頻率為50 Hz。由波形uVS1可知，在區域a內VS1持續導通5.5 ms，區域b內VS1持續導通5.5 ms，占輸出電壓周期的1／6，開關次數是原來的2／3，從而降低了開關損耗；由iVS1波形可知，在區域a內，A相橋臂IGBT無開關動作，從而降低了開關次數，進一步減少了開關損耗。因此，驗證了此方案的正確性和可行性。

6 結 語

在SVPWM原理的基礎上，以TMS320LF2407型DSP為控制核心，開發了一種基于SVPWM的全數字化異步電機矢量控制的優化方案，并對該控制系統進行了Simulink的建模仿真研究。仿真結果表明：采用此優化方案可以有效地降低開關損耗、諧波損耗和電機轉矩脈動。該方案電磁轉矩和電流的波動較小，直流電壓利用率高，控制系統具有良好的動、靜態性能，控制算法利用DSP可實現數字化電機控制。

［1］ 李 斌，李 媛，楊奎河.家用電器空間矢量逆變器及其過調制策略［J］.河北科技大學學報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2003，24（1）：48-50.

［2］ ZHOU Juan，WU Xiao-jie，GENG Yi-wen，et al.Simulation research on a SVPWM control algorithm for a four-leg active power filter［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2007，17（4）：590-594.

［3］ 王金東，張和生.感應電機優化SVPWM 調制策略研究［J］.電力電子技術（Power Electronics Technology），2009，43（9）：55-57.

［4］ 賀代春，劉教民，王震洲.基于DSP的高速數據采集系統的研制［J］.河北科技大學學報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2004，25（4）：48-50.

［5］ SHIREEN W，VANAPLLI S，NENEB H.DSP based inverter control for alternate energy systems［J］.Journal of Power Sources，2007，166（2）：445-449.

［6］ 范心明.基于SIMULINK的SVPWM 仿真［J］.電氣傳動自動化（Electric Drive Automation），2009，31（3）：19-21.

DSP-based SVPWM vector control system of asynchronous motor and its optimization

YU Guo-qing1，ZHANG Ying2，LI Yong-wei2，HAN Jing－jin2，YUAN Tao2，ZHANG Hua-ying3
（1.College of Information Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.College of Electrical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；3.Zhongnuo Pharmaceutical（Shijiazhuang）Company Limited，CSPC，Shijiazhuang Hebei 050041，China）

With TMS320LF2407 DSP as control core of a digital space voltage vector control system，this paper expounds the basic principle of SVPWM and control method，and then according to the load characteristics of induction motor and the analysis of switch loss and harmonic characteristic，an optimization strategy suitable for load of induction motor is proposed.Finally，simulations are made for asynchronous motor SVPWM control system by using the Simulink in the MATLAB.The simulation results show that this system has a lot of advantages which can improve energy utilization and reduce harmonic.The structure is simple and easy to control，and has the characteristics of small torque ripple，low noise，and high utilization rate of voltage.

asynchronous motor；SVPWM；DSP；switch loss；harmonic characteristic；Simulink

TP343

A

1008-1542（2012）03-0258-05

2011-11-23；責任編輯:李 穆

于國慶（1969-），男，山東寧津人，副教授，主要從事低壓動力節電技術、測控技術等方面的研究。