基于DSP的三相SVPWM变频调速系统的设计精

课程设计用纸教师批阅：基于 DSP 的三相 SVPWM 变频调速系统的设计摘要根据电压矢量的基本原理，利用 TMS320LF2407A，对电流采样、速度检测、驱 动保护以及控制系统进行软件设计。设计出基于 DSP 控制系统的 SVPWM 的变 频调速系统控制器。使得逆变电源的智能化程度更高，性能更加完美 。关键词：DSP； SVPWM ;变频调速系统i课程设计用纸教师批阅：目录第 1 章设计目的及意义. 1第 2 章 SVPWM 基本原理 .22.1 电压空间矢量脉宽调制法（SVPWM）.22.2 电压空间矢量技术的基本原理 . 32.2.1 三相逆变器输出电压的矢量表示 .32.2.2 磁链轨迹的控制. 52.3 SVPWM 波的生成 .6第 3 章系统方案及硬件设计 .83.1 系统方案.83.2 主电路设计.93.3 PWM 驱动电路.103.4 故障保护电路.113.5 键盘和液晶.12第 4 章系统软件设计 .14第 5 章设计总结. 15参考文献.16附录程序清单 .17ii课程设计用纸教师批阅：第 1 章设计目的及意义 训练学生正确地应用运动控制系统，培养解决工业控制、工业检测等领域具体问 题的能力；通过课程设计，熟悉运动控制系统应用系统开发、研制的过程，软硬 件设计的工作方法、工作内容、工作步骤；对学生进行基本技能训练，例如组成 系统、编程、高度、绘图等，使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、 解决问题的能力。1课程设计用纸教师批阅：第 2 章 SVPWM 基本原理2.1 电压空间矢量脉宽调制法(SVPWM )随着电力电子器件和微电子技术的迅速发展，以及高性能控制方法在交流调速系 统中的应用，交流调速系统的发展非常迅速。特别是采用了专为电机控制开发的 数字信号处理器 DSP 为核心的全数字化控制系统， 为高性能的控制方法提供了可 靠的硬件环境。这种DSP集中了电动机控制所必须的可增加死区和灵活多变的多 路PWM信号发生器，高速高精度 ADC，以及用于电机速度和位置反馈的编码器 接口等电路。目前国内外应用于工业生产领域的变频器，很多都把DSP 作为控制核心，充分利用其高速运算能力和强大的控制功能以实现高性能的变频控制。电压空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)为交流电机的一种控制方法， 电压空间矢量 PWM方法和普通的正弦 PWM 方法不同，它是从电机的角度出发，把电机和逆 变器看作一个整体考虑，不简单从得到电压电流正弦出发，着眼于如何使电机获 得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。其以三相对称正弦波电压供电时交流 电机的理想磁通圆轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼 近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM 波形。这种控制方法称作 磁链跟踪控制”磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压 空间矢量实现的，所以又称 电压空间矢量 PWM( space vector PWM, SVPWM) 控制”SVPWM 较之于 SPWM， SVPWM 在输出电压或电机线圈的电流都将产生更少的 谐波，提高了对电压源逆变器直流供电电源的利用率。提高了电压型逆变器的电 压利用率和电动机的动态响应性能，同时减少了电动机的转矩脉动，简单的矢量 模式切换更易于数 2 课程设计用纸1、 7字化实现。由于该控制方法把逆变器和异步电机看作一个整体来处理，所用到的数学模型和 数字算法均很简单，便于微处理器实时控制，且具有转矩脉动小，噪声低、直流 电压利用率高、开关频率低的优点，因此目前无论在开环调速系统或闭环调速系 统中均得到广泛的应用。教师批阅：2.2 电压空间矢量技术的基本原理2.2.1 三相逆变器输出电压的矢量表示图 2.1 所示电路为三相逆变器供电给异步电动机的原理图。图中有6 个功率开关管，当当上桥臂开关管处于开”状态，下桥臂开关管处于 关”状态时，则用“ 1表示；当下桥臂开关管处于 开”状态，上桥臂开关管处于 关”状态时，则用“三 个桥臂共有 000、001、010、011、100、101、110、111 八种开关模式，其中 000、111开关模式使逆变器输出电压为零，称这两种开关模式为零状态。只要控 制这些基本空间矢量的组合，同时再将零矢量合理分配，就能使瞬态输出空间电 压矢量按一定的圆形轨迹旋转。图 2.1 三相逆变器主电路电压源逆变器可由图 2.2 所示的 6 个开关来等效表示。如图 2.2 所示，当上桥臂开 通、下桥臂关断时，即 Sa=1 时，U Ude；当 3课程设计用纸上桥臂关断、下桥臂开通时，即 Sa=0 时，U=-Ude 同。 逆变器的 8 种开关模式对应有 8 个电压空间矢量。采用坐 2 标变换，将三相电压 变换到 d-q 轴系。Sc 亦教师批阅：V(SaSbSc)=213 ad? 2J? V? ? W? ? ? ? ?=2U+V +W 2 (2.1) 3()j2n/3 式中:a=e13+j 22通过不同的矢量组合可以合成新矢量，设相邻两个有效矢量V1 和 Vm，零矢量为 Vo，合成新矢量 Vout，矢量作用时间分别是 T1、Tm、To。Tpwm 是 PWM 脉 宽周期。合成新矢量的表达式为V1? T1+Vm ? Tm+V0 ? T0=Vout? Tpwm ( 2.2)T0+T1+Tm=Tpwm (2.3)矢量分 别投影到横、纵坐标轴，得2dc? T1+321dc? Tm? =Vout? Tpwmcosa (2.4) 32图 2.2 逆变器等效图4课程设计用纸 2dc? Tin+3 教师批阅：2=Vout?Tpwmsina(2.5) 3整理可得 SVPWM 的基本公式为T1 =Tm=2VoutUdc2Vout?n? Tpwm?sin -a3(2.6)? Tpwm?sina (2.7)Ude2.2.2 磁链轨迹的控制逆变器按照所示电压依次输出给电动机供电，则电动机定子磁链矢端的运动轨迹 将是一个正六边形，而不是所希望的圆形磁场，电动机电流波形将会出现较大的 尖峰。从而改善点击电流波形和提高电力电子半导体器件的实用效率的角度考 虑，可以适当提高开关频率，这样可以利用空间矢量的线性持续时间组合使产生 的磁链轨图 2.3 基本空间电压矢量迹逼近圆形。若逆变器的采样周期为 T，则有：T=t1+t2+t3 (2.8)其中 t1,t2 为某两个非零空间电压矢量在采样周期内作用的时 间，tO为零矢量作用的时间。由积分近似公式有：V*T=V1t1+V2t2 ( 2.9)5课程设计用纸教師批阅:心住的增二 5 和畑 为电圧矢就Vi和 耳分別柜拎訂的作闻时闻甲听广 T 的磁曲培靖IIM滋定理计: ir 121?（2.10）血此可揉证*=a.siny +CL - - 一 Tsin 60filn(60-(2.11!北山中4为阴制比*）为与幻ZIW的兴鳧匚只嗨谒整/八&、阳的昨用吋啊h就町切达刮变频调逮的叮的，此蚱.为AB世惟的运助逮度半淆.零矢駅不圧堤屮H】入，血足将零矢瞋半比甘展儿份.事心地插入到砒血執迦心但杵测川;和仍为如这柑it可以址少电幼机的转矩的脉动.1Lffi 24空制矢亲的线灼合匯2.3 SVPWM波的生成只蟄给疋输出轴率.输山拔电h、fMH寸线唱压后.觇生SVPWM*出卅幻卜，L连蟻车劇地合成新的矢flb lUft令电札产TIM!附的恿场.6课程设计用纸新矢量的角度递增关系为 教师批阅：（2.12） a=a+?oTpwm式中：角频率3=2n/ff 是输出频率。根据角度 a落在 6个不同区间， 选择不同的有效矢量 V1 和 Vmo。有效矢量 V1 和 Vm 作用的先后次序，决定磁场的旋转方向,最终决定电机是正转或反转。4.根据 SVPWM 生成方案，交由 SVPWM 状态机计算，得到 计算结果。7课程设计用纸教师批阅：第 3 章系统方案及硬件设计3.1 系统方案异步电机变频调速系统硬件框图如图 3.1 所示。系统主要由主电路模块和控制模 块两部分组成。主电路采用交-直-交电压型逆变电路，主要由整流电路、滤波 电路及智能功率逆变电路组成，逆变电路则由 IPM 模块来完成。控制电路以 DSP 为核心，完成 SVPWM算法，实现人机交互功能，同时，DSP 还监控整个系统的 运行状态，当系统出现故障时，DSP 封锁 PWM 输出信号，防止发生故障而烧坏器件，确保系统的安全运行。图 3.1 系统硬件图本系统采用 TMS320LF2407A，它是 TI 公司专为工业控制和电机控制推出的系列 产品。这款 DSP 将实时处理能力和控制器的 8课程设计用纸外设功能集于一身。有如下特性：灵活的指令系统；高速的运 算能教师批阅：力；大容量的存储能力；有效的性能价格比。主要应用领域包 括：工业电机驱动；逆变电源；功率转换器和控制器；汽车系统；仪表和压缩机 电机控制；机器人和计算机数字控制机械。TMS320LF2407A 具有 2 个事件管理器；32 位中央算术逻辑单元；32 位累加器； 16 位X16 位乘法器；3 个比例移位器；间接寻址用的 8 个 16 位辅助寄存器和辅助 算术单元；4 级流水线操作；8 级硬件操作；6 个可屏蔽中断；544 字的片内DARAM 和 2K 字的片内 SARAM ； 32K 字片内 FLASH 程序存储器；64K 程序存 储空间；35.5K 数据存储空间；1/0 空间 64K。串行通信接口 SCI;串行外围接口 SPI； CAN总线控制器；事件管理器 EV； A/D 转换器；看门狗 WD。TMS320LF2407A 芯片是通过 3 条总线实施指令读取、泽码、取操作数、执行指 令等操作。TMS320LF2407A 中有两个事件管理器 EVA 和 EVB，它们都有一特殊硬件 一 SVPWM状态机器件。因此 2407A 具有两个 SVPWM 状态机。本系统采用 EVA，利用 2407A 内部自带的 SVPWM 状态机生成波形。3.2 主电路设计本系统采用交一直一交电压型逆变电路，主电路的额定容量为200W，主要由整流电路、滤波电路及逆变电路组成。选取整流桥为KBJ10A-10（即 10A，1000V），整流后的直流电压 Udc=1.2UI。主电路工作时，因为智能功率模块 IPM 的开关频率很高， 开关动作时会在直流侧产生电流突变， 由于主电路分别电感的 存在， 在 IPM模块内部的 IGBT 的集电极和发射极以及直流母线上会出现浪涌电 压，不但影响逆变器的工作，还会损坏IGBT，因此需要在逆变桥 9课程设计用纸上加上一个吸收缓冲电路，图 3.1 中的电容 C2 和电阻 R2 就是 一个教师批阅：吸收缓冲电路。C2 为无极性电容，R2 为无感电阻，二者接线时 应尽量靠近 IPM的直流进线端，减少电感可能引起的震荡。逆变电路由智能功率模块 IPM 来完成，这里选用三菱公司的智能功率模块IPM，选取额定电流 20A、耐压 600V 的 IPM 模块:PM20CTM060。其内部结构如图 3.2 所示。IPM 供电电压为四组+15V 电源。它有过流、过热、欠压、短路四种保 护。有故障时，IPM 低电平输出电流为 10mA，宽度为 1.8ms 的脉冲信号，由于 其内部的保护并不是针对反复出现的故障，所以一旦输出故障信号FO,系统必须马上做出反应，停机检查，否则循环输出故障信号容易打坏模块。智能功率模 块的选用，大大减少系统的体积，提高图 3.2 IPM 内部结构图PWM 驱动电路以 u 相上桥臂为例，其驱动接口电路如图3.3 所示，由于驱动电路控制电压是5V，而 DSP 输出的 PWM 脉冲电压幅值是 3.3V，因此需要进行电平转换，本设 计采用电平转换芯片 74LVC4245 实 10课程设计用纸现从 3.3V 到 5V 的转换。光耦采用高速光耦芯片 TLP521，在光 耦教师批阅：的输入端接入限流电阻 R7,防止电流过大烧坏光耦，在 IPM 的控 制信号输入端连接上拉电阻 R1R6,以防止由于 du/dt 的作用而产生误动作。图 3.3 PWM 驱动电路3.4 故障保护电路当 IPM 的 F0 引脚输出低电平脉冲，经光电耦合后把 DSP 的 PDPINTA 引脚也拉 为低电平，此时所有的 PWM 输出管脚都呈高阻状态。同样，它与 DSP 的接口电路也需要进行电平转换，这里采用电阻分压的方式，具体接口电路如图3.4 所示。还设计有蜂鸣器报警电路，当故障信号输出时，蜂鸣器报警，提醒操作者第 一时11课程设计用纸3.5键盘和液晶聿实验平台的禮盘入采用4X4的矩帯式谨盘r fl M A 10牛敬字按fl和A-F共石牛辅励按titJjDSPr I电豁址1图J所用*本系馥腌略花戚升弘电机的变用受鰹调速实验， 區就键盘的1一 嬰功能圧输MM JSM和、加确L以及对电机的Jta碱建控制 键盘齐牛键的功陡说明如我3-1所示IB 3S紬盘输入盘渣晶总示键償3ABCDEF功能输人加速械速诗用r.r-：启动停止赛3 1霽盘各値功畝从附我中阿以看鄴h实范充分利用了矩阵述键拡按盤顷 碱 小一明御的特A *-?谢和了埠遵分别实现从h孑的功能臥竝明确. 一I了然.使于採怖系统显小漲更液晶显示愎块RT12232F为jT 11荊资源尽徒12课程设计用纸少占用 DSP 的 I/O 口，因此液晶显示采用串行控制方式。接口 电教师批阅：路如图 3.5 所示。将显示模块串口的同步时钟引脚(SCLK)和数据输 入引脚(sid)与DSP 的两个通用 I/O 相连;在对比度调整端通过接入 10KW 的电位器 来调整显示器的背光和对比度，使显示更加清晰。由于液晶显示模块的工作电压 为 5V，所以加入电平转换芯片实现电平转换。用3 4 FO fitWMldiia号対!发电将敦邛批個:2W7AHLXJM戈将液晶显示与键盘输入相结合，即能完成人机通讯的任务。这里液晶显示器可以 实时显示键盘设定的频率和通过光电编码器测得的转速值。13课程设计用纸教师批阅: 第I章系统软件设计MMH由王程序、程序和子程序组藏鲁中.主程库包 括索址初始化和主睛环第持;子秤序包折电机血行麺丰和播令给疋f川f、 显小程啟屮断样呼也播 列PWM波瞻的U成和妙率骡 动傑护中前御乳系统主烈序皈軽團如阳4j i眉呼尬捏阳所旅使的七段NSVPWM波形工底ik WHDSP时器的卜溢”瓏产牛中噺.即谨人(鼻出卜-亍PWM IDJ的上个比较珞存器的比4M6U程序町以宾现蒔制梭硕曜05(jHz的 变毎功施、蒐 X 功能，兀屮拨渡频率和采杆碱率町以戡据实尉*况图4 2中腎子程序濃程)1.冷哉屮ifil UIH-曲软件ttfMft*.irH 4 1圣程序渡程1 BiAuitU对儈SigrO?.一4 -!-PIt?f电II网sraia堤備新比神舟召器14课程设计用纸第 5 章设计总结 通过这次课程设计，通过本次运动控制课程设计，学习和巩固了很多运动控制相 关知识和 DSP 基础知识。从最初不熟悉设计流程到顺利完成整个设计，中间付出 了辛勤的汗水和宝贵的时间。在设计过程中，不但学会了怎样运用已学的知识到 实践当中，而且学会了怎么样有效地查找资料，提高工作效率，提高了管理和沟 通能力。在设计过程当中，得到了老师和同学的热心帮助，感谢老师和同学的指 导和帮助。该设计利用 DSP 设计的信号发生器不仅成功实现了输入时间信号到SVPWM 触发信号的转换，而且具有良好的抗干扰能力。此外，其并行处理结构可以保证三 相桥臂开关同时动作， 有效地提升了控制系统的整体性能。 可简便地应用于逆变 器控制系统中。该设计完全实现数字化，可靠性高，控制精度高，性能优良。教师批阅：15课程设计用纸教师批阅：参考文献孟庆春电力拖动自动控制系统。沈阳：东北大学出版社，2005王兆安.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.张广溢.电机学M.重庆：重庆大学出版社，2002.陈伯时.电力拖动自动控制系统（第 2 版）M.北京：机械工业出版社.2005阮毅,陈维钧运动控制系统.北京：清华大学出版社.2006夏杨计算机控制技术。北京：机械工业出版社.2007开匀匀郁春兰.计算机原理与接口技术.北京：人民交通出版社.2007开匀匀李定仁.电机的微机控制.北京：机械工业出版社.2007开匀匀王军自动控制原理M.重庆：重庆大学出版社，2008.16课程设计用纸教师批阅：附录程序清单.inelude 240 x.h;寄存器地址.global _c_i nt0 ;全局化标号;- 以下定义变量-ST0 .set 0 状态寄存器 ST0ST1 .set 1 状态寄存器 ST1.bss TEMP,1 临时变量.bss SET_F,1 频率调节比，Q16 格式（值为 0-1,对应 0-50Hz） .bss THETA_S,1 ;-扇区数转换系数，Q15 格式.bss SECTOR参考电压所在的扇 区数,Q0 格式.bssTHETA_90,1 ;90 度,Q12 格式.bss THETA_180,1 ;180 度,Q12 格式.bss THETA_270,1 ;270 度,Q12 格式.bssTHETA_360,1 ;360 度,Q12 格式.bss DEC_MS,24 ;6 个逆阵,Q14 格式.bss T1_PERIODS,1定时器1周期值,Q5格式.bss CMP_1,1第1基本矢量,Q0格 式.sect.vectors 定义主向量段RESET B _c_int0 ;地址 0000H，复位，优先级 1INT1 B PHANTOM ;地址 0002H，INT1，优先级 417课程设计用纸 INT2 B _C_INT2 ;地址 0004H，INT2，优先级教师批阅：5RESERVED B PHANTOM ;地址 000EH，测试，优先级 10SW_INT8 B PHANTOM ;地址 0010H,自定义软中断 SW_INT27 B PHANTOM ;地 址0036H， 自定义软中断 SW_INT28 B PHANTOM ;地址 0038H， 自定义软中断 SW_INT29B PHANTOM ;地址 003AH，自定义软中断 SW_INT30 B PHANTOM ; 地址 003CH，自定义软中断 SW_INT31 B PHANTOM ;地址 003EH,自定义软中 断;定义子向量段.sect .pvecs定义子向量段PVECTORS B PHANTOM ;偏移地址 0000HB PHANTOM ;偏移地址 0001HB PHANTOM ;偏移地址 0002HB PHANTOM ;偏移地址 002FHB PHANTOM ;偏移地址 0030HB PHANTOM ;偏移地址 0031HB PHANTOM ;偏移地址 0032HB PHANTOM ;偏移地址 0033HB PHANTOM ;偏移地址 0034HB PHANTOM ;偏移地址 0035HB PHANTOM ;偏移地址 003FHB PHANTOM ;偏移地址 0040HB PHANTOM ;偏移地址 0041H .text;- 系统初始化程序_c_int018课程设计用纸 SETC INTM ;禁止中断 教师批阅：CLRC CNF ;B0 为数据存储 区LDP #224SPLK #68H,WDCR ;不用看门狗LDP #225LACC MCRAOR #0FC0H 设置 PWM1-6 引脚SACL MCRA；- 中断初始化程序LDP #0SPLK #0FFH,IFR ;清所有系统中断标志 SPLK #00000010B,IMR ;开 INT2 中断 LDP#232SPLK #0200H,EVAIMRA ;开 T1 下溢中断SPLK #16000,T1_PERI0DS ;T1 周期值的 Q5 格式,500*32SPLK #11585,MAX_V ;最大参考电压幅值 SPLK #10053,F_OMEGA ;频率调节比- 角频率转换率,Q5 格式CHK_UPLIMSACL THETA_M ;在第四象限LAR AR0,TEMP ;指向该地址LACC CMP_0ADD CMP_1ADD CMP_2 ; CMP_0+CMP_1+CMP_2 SACL * ;送入该比较器B REST ;返回19课程设计用纸.data;-数据段.word 4516,4790,5063,5334,5604 .word5872,6138,6402,6664,6924 .word 7182,7438,7692,7943,8192 .word8438,8682,8923,9162,9397 .word 9630,9860,10087,10311,10531 .word10749,10963,11174,11381,11585 .word 11786,11982,12176,12365,12551 .word12733,12911,13085,13255,13421 .word 13583,13741,13894,14044,14189 .word14330,14466,14598,14726,14849 .word 14968,15082,15191,15296,15396 .word15491,15582,15668,15749,15826 .word 15897,15964,16026,16083,16135 .word16182,16225,16262,16294,16322 .word 16344,16362,16374,16382,16384.end教师批阅:20