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DSP交流异步电动机变频调速中的应用解析
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2017-10-31
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O 引言
目前交流调速电气传动已经成为电气调速传动的主流。随着现代交流电机调速控制理论的发展和电力电子装置功能的完善，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电机调速取得了突破性的进展。
恒压频比（U／F=常数）的控制方式是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式，普遍应用在风机、泵类的调速系统中。
电压空间矢量法（SVPWM），也叫“磁链跟踪控制”，和经典的SPWM控制着眼于输出电压尽量接近正弦波不同，它是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。
本系统设计了以TMS320LF2407A为中央处理器的硬件平台，通过SVPWM控制方法对交流电机实现恒压频比控制。并在此基础上给出了变频调速控制系统的软件设计。
1 空间电压矢量PWM原理
理论分析表明：三相对称正弦电压产生幅值恒定、以恒转速旋转的电压空间矢量，而这种电压空间矢量加到电机上时将产生幅值恒定、以恒转速旋转的定子磁链空间矢量，且定子磁链矢量顶点的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场。因此，电动机旋转磁场的轨迹问题可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。
SVPWM法就是从电动机的角度出发，把逆变器和交流电动机视为一体，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。
1．1 基本电压空间矢量
图1是一个通用的电压型PWM逆变电路。
图中的V0-V5是6个功率开关管，a、b、c分别代表三个桥臂的开关状态。对于每一个桥臂都有两种工作状态，“上管导通，下管关断”，称为“1”状态，“下管导通，上管关断”，称为“0”状态。三个桥臂只有“1”或“0”两种状态，因此a、b、c形成000、001、010、011、100、101、110、111共八个开关模式。其中000和111开关模式称为零状态。
8个开关模式分别对应8种基本电压矢量。根据其相位角的特点分别命名为：O000、U0、U60、U120、U180、U240、U300、O111。按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的6个扇区，如图2所示：
1.2 电压空间矢量的合成
每个有效工作矢量在一个周期内只作用一次的方式只能生成正六边形的旋转磁场，如果设法使定子里形成正多边形旋转磁场，我们就可以得到近似的圆形旋转磁场。而且，正多边形的边越多，近似程度就越好。
但是如果想获得尽可能多的多边形旋转磁场，就须有更多的逆变器开关状态。我们可以利用六个非零的基本电压空间矢量的线性时间组合来得到更多的开关状态，这就是电压空间矢量PWM的基本思想。
目前交流调速电气传动已经成为电气调速传动的主流。随着现代交流电机调速控制理论的发展和电力电子装置功能的完善，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电机调速取得了突破性的进展。
恒压频比（U／F=常数）的控制方式是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式，普遍应用在风机、泵类的调速系统中。
电压空间矢量法（SVPWM），也叫“磁链跟踪控制”，和经典的SPWM控制着眼于输出电压尽量接近正弦波不同，它是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。
本系统设计了以TMS320LF2407A为中央处理器的硬件平台，通过SVPWM控制方法对交流电机实现恒压频比控制。并在此基础上给出了变频调速控制系统的软件设计。
1 空间电压矢量PWM原理
理论分析表明：三相对称正弦电压产生幅值恒定、以恒转速旋转的电压空间矢量，而这种电压空间矢量加到电机上时将产生幅值恒定、以恒转速旋转的定子磁链空间矢量，且定子磁链矢量顶点的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场。因此，电动机旋转磁场的轨迹问题可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。
SVPWM法就是从电动机的角度出发，把逆变器和交流电动机视为一体，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。
1．1 基本电压空间矢量
图1是一个通用的电压型PWM逆变电路。
图中的V0-V5是6个功率开关管，a、b、c分别代表三个桥臂的开关状态。对于每一个桥臂都有两种工作状态，“上管导通，下管关断”，称为“1”状态，“下管导通，上管关断”，称为“0”状态。三个桥臂只有“1”或“0”两种状态，因此a、b、c形成000、001、010、011、100、101、110、111共八个开关模式。其中000和111开关模式称为零状态。
8个开关模式分别对应8种基本电压矢量。根据其相位角的特点分别命名为：O000、U0、U60、U120、U180、U240、U300、O111。按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的6个扇区，如图2所示：
1.2 电压空间矢量的合成
每个有效工作矢量在一个周期内只作用一次的方式只能生成正六边形的旋转磁场，如果设法使定子里形成正多边形旋转磁场，我们就可以得到近似的圆形旋转磁场。而且，正多边形的边越多，近似程度就越好。
但是如果想获得尽可能多的多边形旋转磁场，就须有更多的逆变器开关状态。我们可以利用六个非零的基本电压空间矢量的线性时间组合来得到更多的开关状态，这就是电压空间矢量PWM的基本思想。
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