基于DSP的SVPWM变频调速系统

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.35No.01Jan.2014第35卷第01期2014年01月引言PWM(脉宽调制)技术的发展使变频调速系统的性能不断改善。

而空间电压矢量脉冲宽度调制（SVPWM ）方法是把三相变流器的理想输出电压在复平面上合成为空间电压矢量，并通过不同的开关状态所形成的电压空间矢量组合去逼近理想电压空间矢量，相对于传统的SPWM 方法，其功率器件的开关次数可减少1/3，直流电压利用率可提高15%，转矩脉动小、噪声低，谐波抑制效果好，且易于数字化实现。

由于一般微处理器运算能力有限，所以本文中的变频调速系统选用TI 公司专用于电机控制的TMS320LF2407A 型DSP 芯片来实现SVPWM 控制，该系统具有控制精度高、电压利用率高、电流谐波成分少、实现简单等优点，大大改善了电动机的运行品质。

1SVPWM 控制原理（1）基本电压空间矢量由逆变器各桥臂不同的开关状态,可以得到8个基本电压矢量,包括2个零矢量和6个非零电压矢量。

6个非零矢量的幅值相同，相邻的矢量互差60°。

2个零矢量幅值为零，位于坐标原点。

这8个空间矢量被称为基本电压空间矢量，分别记为U 0、U 60、U 120、U 180、U 240、U 300、O 000和O 111，其空间分布如图1所示。

图1基本电压空间矢量（2）磁链轨迹的控制SVPWM 方法的目的是用基本空间电压矢量来逼近电机所需的电压矢量U out ，一般所用方法是在一个采样周期T PWM 内使逆变器输出电压的平均值跟U out 相等。

如图2所示，U out 可由两相邻非零基本空间电压矢量U x 和U x ±60的线性时间组合来得到T PWM U out =t 1U x +t 2U x ±60（1）式中t 1、t 2———电压矢量U x 和U x ±60对应开关管的导通时间；T PWM ———U out 作用的时间。

图电压空间矢量的线性组合*2013年江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ-13768）基于DSP 的SVPWM 变频调速系统*李瑾（南昌工程学院机械与电气工程学院，南昌330099）摘要：空间矢量脉宽调制(SVPWM)是控制交流异步电动机的一种控制方式。

SVPWM 技术应用于交流调速系统中不但改善了脉宽调制(PWM)技术存在电压利用率偏低的缺点，而且具有转矩脉动小、噪声低等优点。

给出了一个以TMS320LF2407A 型DSP 芯片为控制电路核心的交流异步电机SVPWM 变频调速系统，在介绍了SVPWM 基本原理的基础上，对调速系统硬软件设计进行了分析。

实验结果表明：该调速系统电压利用率高、输出电流谐波少、控制精度高，具有优良的控制效果。

关键词：SVPWM ；矢量控制；DSP ；变频调速中图分类号：TM343文献标志码：A 文章编号：1003－0794（2014）01－0117－04SVPWM Variable Frequency Speed Regulation System Based on DSPLI Jin(School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099，China)Abstract:Space vector pulse width modulation (SVPWM )is a method to control the AC asynchronous motor ．SVPWM technology applied in AC speed regulation system can not only improve the shortcoming of low voltage utilization in the pulse -width modulation (PWM)technology ，but have little torque ripple ，low noise advantages ．In this paper,a SVPWM variable frequency AC asynchronous motor speed regulation system employing a core TMS320LF2407A-type DSP chip was presented,the basic principle of voltage space vector control had been introduced,and the design of hardware and software in the speed regulation system was analyzed.The obtained experimental results indicate that the proposed speed regulation system has high voltage utilization,small harmonic current,high control precision,and has excellent control effect.Key words:SVPWM ；vector control ；DSP ；variable frequency speed regulation123456βαU 120（010）U 180（011）U 240（001）U 300（101）U 60（110）U 0（100）U 000（000）U 111（111）U x +60U x +60U outU xU xt 2T PWM60°θt 1T PWMdoi:10.13436/j.mkjx.201401055（3）空间电压矢量的扇区判定6个非零电压空间矢量将空间分为6个区域，每个区域对应一个扇区号，如图1中的1，2，3，4，5，6。

如果知道了U out 所在的扇区，就能确定用来合成U out 的2个相邻的基本电压空间矢量。

当得出U out 分别在α轴和β轴上的2个分量U α和U β后，可计算出v ref1=u βv ref2=-u βsin 30°+u αsin 60°（2）v ref3=-u βsin 30°-u αsin 60°令N =sign （v ref1）+2sign （v ref 2）+4sign （v ref 3），则U out所在扇区号与N 的对应关系如表1所示。

表1扇区号与N 的对应关系（4）电压空间矢量作用时间计算用正弦定理对图2进行分析得t 1T PWMU xsin （60°-θ）=U out sin120°=t 2T PWMUx ±60sin θ（3）由（3）式可得t 1=2U out 3姨U x T PWM sin （60°-θ）（4）t 2=2U out 3姨U x ±60T PWMsin θ（5）可见，当2个相邻的基本电压矢量U x 和U x ±60确定后就可计算出t 1和t 2。

由于当逆变器单独输出零矢量O 000或O 111时不会改变电机定子磁链矢量ψs 的幅值，所以可在T PWM 期间插入零矢量单独作用的时间t 0，使T PWM =t 1+t 2+t 0，从而达到变频的目的。

2矢量控制变频调速原理本文中的矢量控制调速系统原理框图如图3所示，系统包含电流内环和转速外环。

速度环由光电编码器输出的脉冲信号经DSP 运算处理后得到电机转速，并与速度参考输入相比较，送给速度环PI 调节器，得到定子相电流参考输入信号i sdref 和i sqref 。

内环为电流环，由霍尔电流传感器检测出定子电流i A 、i B （i C =－i A －i B ），送到DSP 进行A/D 转换，先后经过3s/2s （Clarke ）变换和2s/2r （Park ）变换得到磁场定向电流分量i s d 、i s q ，它们和i sdref 、i sqref 经过电流PI 调节器的控制得到同步旋转坐标系下的V sdref 、V sqref ，V sdref 和V sqref 经过2r/2s 变换（Park 逆变换）得到V s αref 和V s βref ，用来产生空间矢量SVPWM 波形，从而有效地控制逆变器。

图3矢量控制系统原理框图3SVPWM 的DSP 实现3.1系统硬件设计本设计以TI 公司的TMS320LF2407A 为主控芯片，SVPWM 为核心算法，主回路采用三相交-直-交电压型变频器结构，选用IGBT 作为功率开关器件。

系统控制电路核心电路部分直接采用合众达公司提供的TMS320LF2407A 简易开发板—EVM 板。

电源部分采用了+5～+3.3V 的电压转换芯片TPS7333，它的输出最大电流为500mA ，而DSP 芯片在20M 晶振下使所有的外设模块其最大工作电流为120mA ，再加上非常低的电压降和较低的静态电流，完全可以满足系统要求。

DSP 芯片负责整个系统的控制和具体的算法实现，另外它还负责监控整个系统的运行情况，当系统出现短路、过流、过压和过热等故障时，可通过DSP 的PDPINT 引脚封锁SVPWM 信号，使电机停止运行。

（1）电机转速检测电路本文采用M 法测速，选用欧姆龙（OMRON ）公司的增量式光电编码器E6B2-CWZ6C ，它由5～24V 供电，输出A 、B 、Z 三路脉冲，其中A 、B 两路脉冲相位互差90°，每转一圈输出360个脉冲，而Z 每转输出一个脉冲，又称基准脉冲，用作系统的清零信号，以减少测量的累积误差。

设光电编码器每转产生N 个脉冲信号，在给定时间T 内，测出码盘输出m 个脉冲，则可计算出转速n =60m /（NT ）。

TMS320LF2407A 型DSP 芯片的每个EV 模块都有一个用来检测转速信号的正交编码脉冲（QEP ）电路。

使用时只要将A 、B 两路脉冲经光耦隔离后送到DSP 的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引脚（捕获单元输入端可用软件定义为QEP 方式），QEP 模式对两路脉冲前后沿均计数，因此产生的时钟频率是每个输入序列的4倍，省去了外部倍频电路，且能根据两路脉冲的先后顺序判别电机的转向。

（2）电流检测电路本文选用霍尔电流传感器LA28-NP 来测量定子电流，其工作电压为±15V ，量程选择0~5A ，输出电流为0~25mA 。

由于DSP 的ADC 输入信号为0～3.3V 的单极性电压信号，而电流传感器检测的定子电流为交流信号，因此检测信号要进行电压调122631445365N 扇区号第35卷第01期Vol.35No.01基于DSP 的SVPWM 变频调速系统———李瑾α，βθα，βα，β电流模型i sq d ，q d ，qPI Park 逆变换PI PIn refi sqref i sdrefv sqref v sdrefni s αi s βi sdv s αref v s βrefV DCIGBT逆变器SV PWMi A i Ba ，b ，c 异步电动机Park 变换Clarke 变换整。