【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ） 磁鏈軌跡的控制 逆變器按照所示電壓依次輸出給電動(dòng)機(jī)供電，則電 動(dòng)機(jī)定子磁鏈?zhǔn)付说倪\(yùn)動(dòng)軌跡將是一個(gè)正六邊形，而不是所希望的圓形磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)電流波形將會(huì)出現(xiàn)較大的尖峰。從而改善點(diǎn)擊電流波形和提高電力電子半導(dǎo)體器件的實(shí)用效率的角度考慮，可以適當(dāng)提高開(kāi)關(guān)頻率，這樣可以利用空間矢量的線性持續(xù)時(shí)間組合使產(chǎn)生的磁鏈軌 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 10 )10 0(0U )11 0(60U )010(120U)10 1(30 0U )001(240U)01 1(18 0UU ( 0 0 0 ) U ( 1 1 1 )O 圖 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 .3 基本空間電壓矢量 跡逼近圓形。若逆變器的采樣周期為 T，則有： 321 tttT ??? （ ） 其中 t1,t2 為某兩個(gè)非零空間電壓矢量在采樣周期內(nèi)作用的時(shí)間， t0 為零矢量作用的時(shí)間。由積分近似公式有： 2211* tVtVTV ?? （ ） V*為正弦電壓設(shè)定值， V*T 為在第 k 個(gè)采樣周期的磁鏈設(shè)定值的增量， V1t1和 V2t2 為電壓矢量 V1 和 V2 分別在各自的作用時(shí)間里所產(chǎn)生的磁鏈增量。由正弦定理得： )60s i n(sin120sin 2211*?? ??? ??tVtVTV （ ） 由此可推證： ???????????????2101160sin)60sin(t60sinsintttTtTT??????? （ ） 式 [10]中 α 為調(diào)制比； γ 為 V*與 V2 之間的夾角。只要調(diào)整 t t t0 的作用時(shí)間，就可以達(dá)到變頻調(diào)速的目的。此外，為了使磁鏈的運(yùn)動(dòng)速度平滑，零矢量不是集中加入，而是將零矢量平均分成幾份，多點(diǎn)地插入到磁鏈軌跡中，但作用時(shí)間和仍為 t0，這樣就可以減少電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 11 γV * T 2V 2 t 2V 1 t 1 圖 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 .4 空間矢量的線性合成 SVPWM 調(diào)制的基本原理 基本原理 空間矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM）技術(shù)是以獲取圓形磁鏈軌跡為目的的，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，在忽略定子電阻影響的情況下，磁鏈?zhǔn)噶勘憩F(xiàn)為定子電壓矢量對(duì)時(shí)間的積分。也就是說(shuō) ,磁鏈?zhǔn)噶康捻敹耸冀K指向定子電壓矢量與作用時(shí)間的乘積的和矢量的終點(diǎn)。在采用三相逆變器對(duì)異步電機(jī)供電時(shí)，根據(jù)逆變器的工作原理可以知道，逆變橋共有 8 種狀態(tài)。若將逆變器的 8 種狀態(tài)用電壓空間矢量來(lái)表示，則形成 8 個(gè)離散的電壓空間矢量。 OsU?sU?sU?s??s?s?? 圖 磁鏈空間矢量與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡 每?jī)蓚€(gè)工作電壓矢量在空間的位置相隔 60 度，矢量的長(zhǎng)度為常值，其中 000、111 對(duì)應(yīng)的矢量稱為零矢量，各矢量關(guān)系如圖 1 所示。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)由正弦波供電時(shí)，形成的定子電壓空間矢量是幅值不變、旋轉(zhuǎn)的連續(xù)定子電壓空間矢量，定子電壓空間矢量頂點(diǎn)形成的軌跡是圓形；由于定子磁鏈空間矢量表現(xiàn)為定子電壓矢量對(duì)時(shí)間的積分，所以定子磁鏈空間矢量也是幅值不變、相位旋轉(zhuǎn)的定子磁鏈空間矢量，定子磁鏈空間矢量頂點(diǎn)形成的軌跡也是圓形。此時(shí)，定子電壓空間矢量超 前定子磁鏈空間矢量 90 度，可以視為定子電壓空間矢量拉動(dòng)定子磁鏈空間矢量連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 12 如圖 2 所示；但是當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)由常規(guī)六拍階梯波逆變器供電時(shí)，形成的定子電壓空間矢量卻是幅值不變、旋轉(zhuǎn)的離散電壓空間矢量，也就是只有 6 個(gè)有效電壓空間矢量，如果每一個(gè)有效電壓空間矢量在一個(gè)周期內(nèi)作用 1/6 的時(shí)間，則形成的旋轉(zhuǎn)磁鏈?zhǔn)噶宽旤c(diǎn)軌跡則是正六邊形，與圓形磁鏈頂點(diǎn)軌跡相差甚遠(yuǎn)。為了獲得更多邊形或者逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，則必須通過(guò)線性組合法使得在每個(gè) 1/6 周期期間內(nèi)出現(xiàn)更多的電壓空間矢量。就是利用有限個(gè)（ 8 個(gè)）離散的電壓矢量組合成無(wú) 數(shù)個(gè)連續(xù)的電壓矢量。如圖 3 所示，任意一個(gè)連續(xù)電壓矢量都可以有附近的兩個(gè)離散電壓矢量合成。 outU602 UTTp 01 UTTp 060 圖 電壓空間矢量的線性組合 1. 21 TT與 的確定 任意連續(xù)電壓空間矢量 outU 可以表示為： ??????? tV tVU mmout ??s inc os)2/3( 這里， mV 為相電壓的峰值；六個(gè)有效電壓空間矢量可以表示為： ?????????????? xxUVVU dcssx s inc o s?? dcU 為直流母線電壓， x 為 ?????? 3 0 02 4 01 8 01 2 0600 六個(gè)離散值。 任意時(shí)刻的 outU 都可以有 xU 和 60?xU 來(lái)等效合成，于是有下列等式： 6021 ??? xpxpout UTTUTTU （ pT 為載波周 期） 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 13 為計(jì)算方便，令pTTt 11? ，pTTt 22? ，進(jìn)一步推導(dǎo)： 21 )60s i n( )60c os (s i nc oss i nc os23 txxUtxxUttV dcdcm ??????? ????????????????? ???? （ ） 從這個(gè)公式可以看出，改變 mV 就可以改變電機(jī)的相電壓，改變 ? 就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變壓變頻調(diào)速要保持氣隙磁通恒定，因此需要電壓頻率協(xié)調(diào)變化。在額定轉(zhuǎn)速以下，電壓頻率之比為一定值，所以 m a xm a xm a x VkVVV pnnm ?????? ???? maxV 為相電壓的最大值， n? 為額定頻率； ? 為給定頻率， mV 為給定頻率時(shí)相應(yīng)的電壓值；并且已經(jīng)最大相電壓 maxV 與 直流側(cè)的電動(dòng)勢(shì) E 為 3/dcm UV ? ，則 3/m a x dcppm UkVkV ???? ， pk 定義為調(diào)制度， 10 ?? pk 。 式（ ）可以整理如下： 21 )60s i n( )60c os (32s i nc os32s i nc os txxtxxttk p ??????? ????????????????? ???? （ ） 對(duì)式（ ）進(jìn)行求解可以得出： )s in()60s in(21 xtkt txktpp ?? ??? ? ?? （ ） 式（ ）求出了電壓矢量作用時(shí)間的相對(duì)值，只要知道載波周期 pT 就可以求出電壓矢量的作用時(shí)間 21 TT與 。 SVPWM 開(kāi)關(guān)模式 表 1 給出了硬件開(kāi)關(guān)模式的開(kāi)關(guān)順序表， 在 TMS320LF2407DSP 的事件管理器中有專門的硬件 (空間矢量狀態(tài)機(jī) )來(lái)支持此方法，只需把主矢量填入比較方式控制寄存器 (ACTRA/B)中的基本空間矢量位、把主輔矢量的作用時(shí)間 21 TT、 填入比較單元的比較寄存器 (CMPR CMPR2/ CMPR CMPR5)，就可以實(shí)現(xiàn) SVPWM。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 14 這種開(kāi)關(guān)模式可以用 xxxx UUUUUU ????? ?? ?? 60000/111000/11160表示，這里 x 可以為 ?????? 3 0 02 4 01 8 01 2 0600 ，以 ?0?x 為例，可以畫出硬件開(kāi)關(guān)模式下的開(kāi)關(guān)序列和逆變器三相電壓波形，如圖 4。通過(guò)表 1 和圖 4可以看出， 主輔矢量作用時(shí)間的順序不用改變就可以滿足開(kāi)關(guān)損耗最小原則。 表 1 硬件開(kāi)關(guān)模式確定的開(kāi)關(guān)順序表 Sector xxxx UUUUUU ????? ?? ?? 60000/111000/11160 1 100 110 111 111 110 100 2 110 010 000 000 010 110 3 010 011 111 111 011 010 4 011 001 000 000 001 011 5 001 101 111 111 101 001 6 101 100 000 000 100 101 abc 2T 22T 02TpT21 121T221T021TpT21( 1 0 0 )( 1 0 0 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 0 )( 1 1 1 ) ( 1 1 1 ) 圖 硬件開(kāi)關(guān)模式下開(kāi)關(guān)序列 SVPWM 硬件方法決定開(kāi)關(guān)模式的軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)由主程序和中斷服務(wù)程序組成。主程序完成系統(tǒng)初始化設(shè)置和等待中蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 15 斷，初 始化流程設(shè)置比較控制寄存器 COMCONA、全比較動(dòng)作控制寄存器 ACTRA、死區(qū)控制器存器 DBTCONA、通用定時(shí)器的控制寄存器 T1CON，并根據(jù)調(diào)制周期設(shè)置通用定時(shí)器 1的定時(shí)周期寄存器 T1PR。圖 5是 硬件開(kāi)關(guān)模式下的中斷服務(wù)子程序，硬件開(kāi)關(guān)模式在根據(jù)式（ ）確定 1t ， 2t 之后，利用 sector設(shè)置 比較方式控制寄存器(ACTRA)中的基本空間矢量位，只需設(shè)置兩 個(gè)比較寄存器。因此 硬件開(kāi)關(guān)模式下 SVPWM實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。 現(xiàn) 場(chǎng) 保 護(hù)ttt ??? ???確 定 s e c t o r、 x設(shè) 置 C M P R 1 、 C M P R 2恢 復(fù) 現(xiàn) 場(chǎng) 、 等 待 下 一 周 期利 用 s e c t o r設(shè) 置 A C T R A利 用 式 （ 3 ） 確 定 t 1 、 t 2 圖 硬件開(kāi)關(guān)模式下的中斷服務(wù)子程序 SVPWM 波的生成 只要給定輸出頻率、輸出線電壓、直流母線電壓后，就可以生成 SVPWM，步驟如下。 1．連續(xù)不斷地合成新的矢量，就能令電機(jī)產(chǎn)生圓形的磁場(chǎng)。新矢量的角度遞增關(guān)系為 pwmT??? ??? （ ） 式中：角頻率 f/2?? ? ， f 是輸出頻率。 2. 根據(jù)角度 a 落在 6 個(gè)不同區(qū)間，選擇不同的有效矢量 V1 和 Vmo。 3. 有效矢量 V1 和 Vm 作用的先后次序，決定磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，最終決定電機(jī)是正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 4. 根據(jù) SVPWM 生成方案，交由 SVPWM 狀態(tài)機(jī)計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 16 第三章 系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計(jì) 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件框圖如 圖 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 .1 所示。系統(tǒng)主要由主電路模塊和控制模塊兩部分組成。主電路采用交－直－交電壓型逆變電路，主要由整流電路、濾波電路及智能功率逆變電路組成，逆變電路則由 IPM 模塊來(lái)完成?？刂齐娐芬?DSP 為核心，完成 SVPWM 算法，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，同時(shí)， DSP 還監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)， DSP 封鎖 PWM 輸出信號(hào)，防止發(fā)生故障而燒壞器件，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 圖 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 .1 系統(tǒng)硬件圖 本系統(tǒng)采用 TMS320LF2407A，它是 TI公司專為工業(yè)控制和電機(jī)控制推出的系列產(chǎn)品。這款 DSP 將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身。有如下特性：靈蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 17 活的指令系統(tǒng)；高速的運(yùn)算能力；大容量的存儲(chǔ)能力；有效的性能價(jià)格比。 主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；逆變電源；功率轉(zhuǎn)換器和控制器；汽車系統(tǒng)；儀表和壓縮機(jī)電機(jī)控制；機(jī)器人和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)械。 TMS320LF2407A 具有 2 個(gè)事件管理器； 32 位中央算術(shù)邏輯單元； 32 位累加器；16 位 16 位乘法器； 3 個(gè)比例移位器；間接尋址用的 8 個(gè) 16 位輔助寄存器和輔助算術(shù)單元； 4 級(jí)流水線操作； 8 級(jí)硬件操作； 6 個(gè)可屏蔽中斷； 544 字的片內(nèi) DARAM和 2K 字的片內(nèi) SARAM； 32K 字片內(nèi) FLASH 程序存儲(chǔ)器； 64K 程序存儲(chǔ)空間； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間； I/0 空間 64K。此外還有功能強(qiáng)大的外設(shè)：串 行通信接口 SCI；串行外圍接口 SPI； CAN 總線控制器；事件管理器 EV； A/D 轉(zhuǎn)換器；看門狗 WD。 TMS320LF2407A 芯片是通過(guò) 3 條總線實(shí)施指令讀取、澤碼、取操作數(shù)、執(zhí)行指令等操作。 TMS320LF2407A 中有兩個(gè)事件管理器 EVA 和 EVB，它們都有一特殊硬件 —SVPWM 狀態(tài)機(jī)器件。因此 2407A 具有兩個(gè) SVPWM 狀態(tài)機(jī)。 本系統(tǒng)采用 EVA，利用 2407A 內(nèi)部自帶的 SVPWM 狀態(tài)機(jī)生成波形。 主電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用交－直－交電