基於DSP的向量控制交流驅動系統設計及模擬論文

摘要：研究了一種高效能全數字交流感應電機向量控制驅動系統。該系統以空間電壓向量控制技術為理論基礎，採用IGBT功率模組作為開關元件，組成交_直_交電壓型逆變器，採用80C196KC單片bL+TMS320F240 DSP的雙CPU結構，DSP完成實時性要求高的向量控制任務，16位微控制器完成實時性要求比較低的管理任務，並給出了系統的硬體及軟體設計。實驗結果表明，系統易於實現，動態效能良好，軟硬體結構緊湊，具有很好的開放性。

關鍵詞：DSP;電壓空間向量控制;變頻調速;80C196KC

PWM控制方式是交流變頻調速控制的基本方法，其中空間電壓向量(SVf’WM)一被提出後就以其特有的優越效能，在電機調速方面得到廣泛應用，該種方法控制簡單，數字化實現方便，顯著減小逆變器輸出電流諧波成分及電機諧波損耗，降低脈動轉矩，提高電壓利用率。實驗結果表明，系統易於實現，動態效能良好，軟硬體結構緊湊，具有很好的開放性。

一、空間電壓向量控制策略嘲

空間電壓向量控制技術(SVPWM)是從電動機的角度出發，著眼於如何使電一理論和電機座標軸系變換理論基礎之上的，物理意義直觀，數學模型簡單，便於微機實時控制，電壓空間向量法與傳統的SPWM法相比，不但可以減少轉矩脈動和鐵損耗，而且可以提高電源的利用率。

二、系統硬體構成

系統主電路採用功率開關IGBT構成電壓型逆變器，控制電路採用全數字化設計，由數字訊號處理器DSP (TMS320F240)、16位微控制器80C196KC、高速高精度A/D轉換晶片及雙口RAM(IDT7133)等作為控制電路主體，還有高靈敏度的檢測電路和快速的保護電路等。

(一)主電路

主電路部分全部安裝在散熱器上，採用交.直.交電壓型逆變器形式，由不可控整流橋、濾波電容、逆變器及泵升抑制電路等組成。主電路輸入電壓為380V，同時系統設計了軟啟動電路以減少強電對主迴路的衝擊：逆變器部分則實現直流電到變頻變壓(WVF)交流電的轉換，為電動機的定子繞組提供要求的交流電流。在整個系統故障保護環節中，設定了主迴路過壓、欠壓、過熱、過載、制動異常、光電編碼器反饋斷線、通訊故障等保護，故障訊號由軟硬體配合檢測，一旦出現保護訊號，通過軟體或硬體邏輯立刻封鎖PWM驅動訊號。系統採用磁平衡式霍爾電流感測器取樣兩相電流，利用取樣的實時電流資訊實現向量控制和系統的過流保護。

(二)雙CPU控制系統

雙CPU控制系統由DSP子系統，微控制器子系統，雙口RAM等組成。為了實觀系統的快速實時控制，系統在設計上採用了微控制器+DSP雙CPU結構，DSP完成實時性要求高的向量控制任務;FLASH結構的16位微控制器80C196KC作為主機完成實時性要求比較低的`管理任務，如控制引數設定、鍵盤處理、狀態顯示、序列通訊等，微控制器和DSP之間的通訊採用靜態雙口RAM。

三、系統軟體

全數字交流感應電動機驅動系統的核心控制程式包含微控制器和DSP實時兩部分控制程式。在PWM定時中斷程式中實現電流環取樣及控制、向量控制、PWM訊號生成，中斷控制週期設定為100 us，系統控制器的PWM開關週期設定為lOkHz，PWM死區時間為4ps，PMM訊號採用空間向量調製模式;功率驅動保護中斷程式則檢測智慧功率模組的故障輸出，當出現故障時，DSP的PWM通道將被封鎖，強制輸出變成高阻態：系統軟體由主程式和PMM定時中斷服務子程式構成。主程式在完成系統初始化之後進入迴圈，等待中斷的發生。檢測電流、轉速和發出6路PWM脈衝在DSP的定時器中斷服務子程式中完成。

四、實驗結果及結論

採用前面介紹的軟硬體設計，完成了變頻器的原理樣機，輸出頻率0～87Hz，並在實際用牽引電機上進行了空載實驗。牽引電機的基本資料如下：功率37KW，額定電壓200V，額定電流183A，額定頻率27 Hz。

該系統以空間電壓向量控制技術為理論基礎，採用IGBT功率模組作為開關元件，組成交-直.交電壓型逆變器，系統在設計上採用單片tfl,+DSP雙CPU結構，滿足了交流牽引電機的調速控制要求。系統保護功能完善，具備常規的過載、過壓、短路、缺相、過流等保護，還可以LED顯示故障型別。實驗表明，系統易於實現，動態效能良好，軟硬體結構緊湊，方案合理，工作可靠，提高了工作效率。

參考文獻：

[1]陳國呈變頻調速技術[M]，北京：機械工業出版社,1998.

[2]吳守箴，臧英傑，電氣傳動的脈寬調製控制技術Ⅱ[M]，北京：機械工業出版社，1999.