基于TMS320F2407芯片的变频调速技术的设计方案

    文章先通过阐述变频调速系统的基本构成、SVPWM算法的基本原理、参数计算以及实现方法，然后给出SVPWM算法在DSP2407上实现的具体计算过程，最后经过试验，验证整套系统能够正常并准确工作。同时基于MATLAB/Simulink设计了仿真模型进行算法仿真，仿真波形与理论基本相符，证实了该方案的可行性。

    1.引言

    随着新型电力电子器件的不断更新，变频调速技术得到了极大的发展，经过半个多世纪的发展、丰富和完善，变频调速技术已经成为应用最为广泛的调速方式。

    然而传统的SPWM技术存在一些缺点，SPWM技术着重在使逆变器输出的电压尽量接近于正弦波，但电动机需要的是在气隙中形成圆形旋转磁场，产生恒定的转矩，这些是SPWM技术不易做到的，而SVPWM技术是把逆变器和电机作为一个整体来考虑，控制电压空间矢量，使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，旋转转矩平稳，逆变器输出谐波小，谐波损耗小，因此它的应用日益广泛。

    2.系统总体结构

    变频调速系统由变频器、电动机和控制系统三大部分构成，有时还包括负载。总体结构如下图1所示。

    变频器是一个能改变频率的交流电源。控制系用主要由控制器和电流、转速等检测仪器组成，用于按照给定指令，调节电动机的转速和控制电动机的转矩，完成传动任务。电动机主要是异步电动机，少数场合使用同步电动机。负载即各类工作机械、设备，用于完成各种生产任务。

    3.SVPWM算法原理与实现

    SVPWM的工作原理是将逆变器和电动机看成一个整体，依据电机磁链和电压的关系，用8个基本电压矢量合成期望的输出电压矢量，实现交流电动机变频调速。

    3.1 两电平逆变器

    一般低压逆变器的输入为一个单一的直流电源，当对此恒定的直流电压进行脉宽调制，输出为幅值一定的PWM波。如果设直流电压为，以低压节点为零电位，经过逆变器得到的一定的PWM波只有两个电平，即和0,因此这种逆变器称为两电平逆变器，如图2所示：     

    逆变器用6个IGBT(绝缘栅双极性晶体管)V1-V6构成三相逆变桥，V1、V3、V5为共阳极组，V2、V4、V6为共阴极组，每个桥臂2个IGBT串联，从连接点引出三相接线，把一个周期分为360°，将V1-V6以相隔60°的电角度依次导通，每个IGBT导通180°。任一时刻有三个IGBT导通，同桥臂的另一个IGBT必须关断，这样工作逆变器可以对三相负载输出三相交流电。     

    一般情况下两电平逆变器六拍运行时，每隔60°切换一次，共有8种开关状态，按a、b、c相序可表示为100、110、010、011、001、101、000、111.每一种开关状态输出合成电压空间矢量out u 分别记为u1、u2、u3、u4、u5、u6、u0、u7,统称为基本矢量，其中u1-u6为有输出数值的矢量，称为非零矢量，u0、u7无电压输出，称为零矢量。8个电压矢量的空间分布如上图3所示，各矢量之间可分为六个扇区(Ⅰ-Ⅵ)，电压矢量若按逆时针方向切换使电动机正转，若按顺时针方向切换使电动机反转。     

    3.2 SVPWM算法实现

    通常来说，SVPWM算法的实现主要分一下几步：

    计算电压矢量out U 所在扇区。

    计算out U 所在扇区起始矢量和终止矢量的作用时间T1、T2.

    通过T1、T2计算各扇区调制波形三相导通时间。

    3.2.1 计算电压矢量所在扇区

    ( 1 )首先将电压矢量out U 分解到α、β轴上，α轴上分量为á u 、β轴上分量为 u ,计算参考值 ref 1 U 、 ref 2 U 、 ref 3 U :     

    (3)通过N的数值从表1中查出矢量out u所在扇区#1

    通过以上3个步骤可以确定出合成电压矢量所在的扇区。

    3.2.2 计算Uout所在扇区起始矢量和

    终止矢量的作用时间T1、T2当确定合成电压矢量所在扇区之后，设该扇区起始矢量作用时间为T1,截止矢量作用时间为T2.     

    如图4所示U1和U2表示相邻的两个基本电压空间矢量，Uout表示输出电压矢量，其幅值代表电压矢量的幅值，其旋转角速度代表正弦电压的角频率，Uout可由U1和U2合成，即：     

    根据正弦定理可得：     

    计算出t1、t2后还需要加入零矢量来调节矢量作用的总时间，使得矢量旋转的角速度等于给定的角速度。要注意的是，零矢量的加入一般要放在程序的开始或结束阶段，这样可以防止电压跳变。

    值得注意的是，当运行的电机突然加、减速时，系统的电压矢量Uout可能会超过逆变器输出的最大电压矢量值，这种情况称为过调制。为了避免过调制，我们需要对电压矢量的作用时间做出修正，首先我们要计算出t1、t2的和是否大于TPWM,若t1、t2的和大于Tpwm,则我们计算修正值，设修正后的起始矢量和终止矢量的作用时间为t11、t22,有：     

    3.2.3 通过T1、T2计算各扇区调制波形三相导通时间     

    以第一扇区为例，第一扇区的起始矢量为100,作用时间为t1,终止矢量为110,作用时间为t2,加入零矢量，作用时间为t0,每次切换应该只有一个开关动作，如图5所示：     

    在TMS320F2407中，有三个全比较单元，可生成6路PWM波。包括1个计数寄存器和三个比较寄存器，3个比较寄存器分别为CMPR1、CMPR2、CMPR3.计数器采用连续递增递减模式计数，当计数器在0到计数周期这段增计数周期内，计数器的值与比较寄存器的值相等时，输出电平发生一次跳变;在计数器达到计数周期时，计数器将开始减计数，当计数器再次与比较寄存器相等时，输出电平再次跳变。所以需要将计算出的aon t 、bon t 、con t 的值分别付给CMPR1、CMPR2、CMPR3.通过不断改变比较寄存器的值，得到不同占空比的PWM信号输出控制IGBT的导通与关断，实现对电机的矢量控制。

    4.结语

    本文提出了一套基于TMS320F2407芯片的变频调速技术的设计方案，该方案中的硬件平台以DSP为核心，系统中采用SVPWM算法来实现变频调速。先通过阐述变频调速系统的基本构成、SVPWM算法的基本原理、参数计算以及实现方法，然后给出SVPWM算法在DSP2407上实现的具体计算过程，最后经过试验，验证整套系统能够正常并准确工作，从而证实了该方案的实用性。

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