基于DSP 的空间电压矢量控制在变频调速器上的应用

0 引言

　　随着电力电子技术和微控制器技术的飞速发展，现代交流变频调速系统技术在电机控制系统中的应用也越来越广，采用全控型器件IGBT 的全数字控制的变频调速器已经实现了通用化，具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、操作方便等优点。变频调速器的普及应用提高了现代工业的自动化水平，提高了产品质量和劳动效率，最大限度的节约了能源，因此符合国家发展建设和谐、节约型社会的方针。

　　本文着重分析了变频调速器的空间电压矢量控制原理和死区补偿技术，以及DSP 控制的工程实现。

1 变频调速器空间电压矢量控制原理

　　1.1 变频调速器

　　变频调速器把固定电压、固定频率的交流电（工频电源）变换为可调电压、可调频率的交流电，实现电机的宽范围、连续、高效调速。常用主电路结构如图1所示。

　　1.2 空间电压矢量控制

　　空间电压矢量控制是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。

　　它以三相对称正弦波电压供电时的交流电机的理想磁通圆为基准，通过逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，以它们比较的结果决定逆变器的开关状态。该控制算法是把逆变器和电机看成一个整体来处理，所以采用的DSP 实时控制，有转矩脉动小、谐波少、电压利用率高等优点。

　　如果每周期只切换六次，磁链轨迹将呈现六边形，如果要获得逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个仔/3 电角度间出现更多的电压空间矢量。

　　采用不同的基本空间电压矢量在不同的作用时间下的线性组合，就可以得到更多相位的磁链矢量，为此SVPWM 控制技术就是通过基本电压矢量的

2 空间电压矢量控制算法

　　由上述原理出发，要有效控制电机磁链轨迹，必须解决三个问题：

　　（1）如何选择电压矢量；

　　（2）如何确定每个电压矢量的作用时间；

　　（3）如何确定每个电压矢量的作用次序。

　　第一个问题，可以选择各扇区相邻的基本电

　　对于第三个问题，各扇区内电压矢量的作用次序要保证任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂的开关动作，并尽可能的使开关次数少。电压矢量的作用次序如表圆所示，每次矢量变换只有一个桥臂动作，每个PWM 波都是以零矢量u0a 开始和结束，零矢量u0b 放在中间，电动机正反转时，每个扇区的两个相邻基本矢量选择顺序不变，也就是说电动机的正反转只与扇区的顺序有关。

　　乘加运算可以求出当前相位和当前输出频率f 对应的两个基本矢量的作用时间t1、t2，再通过查表确定矢量的作用次序。

3 基于TMS320LF2407A的七段式SVPWM实现

　　TMS320LF2407A 是TI 公司专为电机控制而推出的专用控制芯片，运行频率可达到40 MHz，提高了控制器的实时控制能力。芯片内集成两个事件处理模块EVA和EVB，非常方便生成PWM的对称和非对称波形，具有硬件快速保护引脚PDPINTx和可编程的死区控制单元。片内有32 kB的FLASH 程序存储器，2 KB 字的单口RAM，544B 的双口DARAM，此外2407A集成了加密功能，有效地保护了程序的安全。采用TMS320LF240A生成对称的SVPWM 非常方便且精度高。

　　TMS320LF2407A内部集成了SVPWM脉冲调制波生成电路，但它采用的是五段式SVPWM 脉宽调制方式，电机在低速时会出现不平稳现象。本文采用软件法生成对称七段式SVPWM 调制波，如图6 所示。采用最优SVPWM算法，并对全频段进行了精确死区补偿，有效地提高了对电机的控制精度。

　　在TMS320LF2407A 的事件管理器EVA 中，有三个16 位带影子寄存器的实时比较寄存器，比较寄存器的加载可以设置成定时器的值为零时；一个16 位定时器可设置为连续增减计数，并在初始化时根据设置的载波频率来设置定时器的周期值；在初始化时还要设置引脚PWM1、3、5 高有效，PWM2、4、6 低有效。在定时器中断服务程序里只需根据SVPWM 优化算法计算三个比较寄存器的值，简化了的流程图如图7所示。

　　变频调速器输出线电压波形如图8所示。

　　变频调速器在低频时输出的电流波形如图9，程序中采用了SVPWM 优化算法，输出电流正弦度较高；并在死区补偿程序里采用间接电流极性判断法，实时对PWM 值进行补偿控制，使电机实际电压与期望电压基本吻合，在补偿切换时偏差不超过0.4 V，在低频段实现了精确的速度控制。在每个载波周期的中断程序里需要根据电流极性对PWM进行正补偿或负补偿，电流极性的判断至关重要，如果对电流极性判断错误将引起误补偿。简单的根据电流传感器判断电流极性，在低频时很容易出错，因为在低频轻载时，容易发生零电流箝位现象，电流发生畸变。采用间接电流极性判断法将输出电流传感器瞬时值通过坐标变换转换到旋转坐标系（M 轴与电压矢量重合，T 轴逆时针旋转90毅），这样交流电流就转换成直流量，滤波处理后通过简单的计算就可求出电流矢量与电压矢量的相对角度及幅值，再通过查表或计算就可确定补偿量（与死区时间、二极管压降、IGBT压降有关）及补偿方向。

4 结语

　　SVPWM 控制输出电压比正弦波调制提高15% ， 提高了电源电压利用率， 采用TMS320LF2407A实现SVPWM优化控制，实时性好。风光变频调速器经过多年的发展，其控制算法不断优化，功能不断完善，实际应用中得到广大用户的好评，在冶金、电力、煤矿、发酵等行业得到广泛应用，并在2007年被评为国家名牌产品。