劉剛利

（成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校，四川 成都 610031）

全數(shù)字化SVPWM調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

劉剛利

（成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校，四川 成都 610031）

該文提出了使用價(jià)格低廉的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)施方案，對系統(tǒng)軟件、硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，并實(shí)施仿真。仿真表明，設(shè)計(jì)的空間矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)性能優(yōu)異，各個部分的理論分析正確，參數(shù)配合比較恰當(dāng)，電壓、電流輸出波形達(dá)到要求，轉(zhuǎn)速符合最少拍控制要求，基本無振蕩。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對控制生產(chǎn)成本、增強(qiáng)通用性具有指導(dǎo)意義，系統(tǒng)的仿真對樣機(jī)制作、縮短設(shè)計(jì)周期、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

數(shù)字化；空間矢量；嵌入式系統(tǒng)；仿真；變頻調(diào)速

1 引 言

交流電動機(jī)是一個非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變的多變量系統(tǒng)，其可控性較差。雖然早已有多種交流調(diào)速系統(tǒng)的方案得到實(shí)際應(yīng)用，但其性能始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵,均存在較大的缺陷，難以勝任高性能調(diào)速要求[1]。該文通過研究電壓型逆變器的電壓矢量輸出組態(tài)、空間矢量調(diào)制（SVM）算法、轉(zhuǎn)子磁鏈定向觀測模型，提出了使用高性價(jià)比嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)施方法。并運(yùn)用Matlab/Simulink對系統(tǒng)建立仿真模型，進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該文研究的空間矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期要求，在仿真和實(shí)驗(yàn)負(fù)載條件下能夠進(jìn)行變頻調(diào)速，電壓輸出波形符合理論分析結(jié)論，電流輸出為三相對稱正弦波，轉(zhuǎn)速符合最少拍控制要求，基本無振蕩[2-3]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)方案

系統(tǒng)的硬件包括主回路部分和控制回路部分。主回路部分的設(shè)計(jì)任務(wù)主要是主電路、功率器件參數(shù)計(jì)算及其選擇，保護(hù)電路設(shè)計(jì)。控制回路部分以ATmega8515為核心，構(gòu)成一個數(shù)字矢量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1。

2.2 主回路設(shè)計(jì)

該文采用交-直-交變頻調(diào)速方式，主回路由不可控整流電路、濾波/緩沖環(huán)節(jié)、智能功率模塊IPM作為功率開關(guān)器件（V1～V6）構(gòu)成的逆變電路組成。主回路的電路圖如圖2所示。

2.3 電流檢測電路設(shè)計(jì)

電流檢測是把逆變器輸出的三相電流值反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈定向以及電流PID調(diào)節(jié)。系統(tǒng)工作電壓為±15V，輸出電流為0～10mA，電流檢測電路原理圖如圖3所示。

圖1 SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 主回路

由于AVR單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換速度和精度達(dá)不到要求，所以采用MAX151進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換的電路原理圖和MAX151與MCU接口圖如圖4所示。

2.4 轉(zhuǎn)速辨向及光電隔離

轉(zhuǎn)向的判別可以采用一個D觸發(fā)器完成，原理如圖5所示。

從光電碼盤輸出到MCU接口需要光電隔離，以保證系統(tǒng)安全。圖6為光隔電路。

2.5 鍵盤輸入、顯示模塊

系統(tǒng)使用鍵盤輸入來給定轉(zhuǎn)速，發(fā)出啟動/停車命令。給定轉(zhuǎn)速的流程為：按鍵輸入→讀鍵值→與轉(zhuǎn)速標(biāo)幺比較→轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制→交付矢量控制模塊。使用LED設(shè)計(jì)了簡易的顯示裝置，用來顯示輸入的鍵值和當(dāng)前轉(zhuǎn)速值以及系統(tǒng)報(bào)警停車信號。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路及MCU接口

圖5 D觸發(fā)器轉(zhuǎn)速辨向電路原理

圖6 高速光耦接口電路

為了減輕CPU的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，一般采樣能夠自動掃描并判別鍵號的專用處理芯片，同時(shí)也希望該芯片能夠協(xié)助LED顯示。

2.6 保護(hù)電路

圖7 直流母線電壓監(jiān)測保護(hù)電路

系統(tǒng)保護(hù)措施有純硬件的，也有純軟件的，更多的是采用軟硬結(jié)合的方法。主要有：改進(jìn)的PID算法抑制電流的超飽和狀態(tài)長期出現(xiàn)；IPM的驅(qū)動電路上下橋臂驅(qū)動信號采用硬件形成死區(qū)延時(shí)時(shí)間；信號傳送電路的光耦/光隔；系統(tǒng)的強(qiáng)電弱電分離運(yùn)行；數(shù)字地與模擬地分別匯總接零等。除了上述的保護(hù)措施之外，還重點(diǎn)對逆變器的直流側(cè)電流電壓限制、監(jiān)控。電壓保護(hù)電路原理如圖7所示。

2.7 控制電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中所用到的器件 MCU，MAX 151，PM10RSH120，高速光耦6N137，旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C，LEM BLYT5-CNP12C4器件的供電電壓有±15V、±5V、24V等，為此專門設(shè)計(jì)了驅(qū)動電源板，以獨(dú)立的形式提供了±15V、±5V、24V等共12個電源。驅(qū)動電源板電路原理如圖8所示。

2.8 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)包括調(diào)速系統(tǒng)的主回路、控制/驅(qū)動板電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、兩相電流檢測電路、直流母線電壓監(jiān)控保護(hù)電路、鍵盤輸入/顯示電路以及各個部分的電路板，系統(tǒng)電路原理如圖9所示[4-5]。

圖8 驅(qū)動電源板電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)思想是：由鍵盤輸入轉(zhuǎn)速、電流給定，ATmega8515作為運(yùn)算控制核心將給定信號轉(zhuǎn)換成矢量控制所需的電流信號值，再經(jīng)過矢量變換成為控制磁鏈Ψ的相角和勵磁電流大小的信號。把這兩個信息分別傳遞給開關(guān)模式調(diào)用服務(wù)程序，并啟用定時(shí)器，在約定的時(shí)間內(nèi)由MCU的3個輸出引腳發(fā)出開關(guān)信息。由于逆變橋的上下橋臂開關(guān)狀態(tài)互逆，且包含死區(qū)時(shí)間，故可在外圍電路設(shè)計(jì)達(dá)到驅(qū)動6個功率管的效果。之后，軟件接收兩相電流的A/D采樣結(jié)果、綜合轉(zhuǎn)速采樣A/D數(shù)據(jù)通過PI調(diào)節(jié)，反饋給矢量變換環(huán)節(jié)、再次生成糾正后的PWM輸出，周而復(fù)始，直到接收到新的轉(zhuǎn)速和電流給定信號[5]。主程序流程圖如圖10所示。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 Matlab仿真

仿真采用Mathworks公司的Matlab軟件。對于SVPWM調(diào)制的仿真組態(tài)，在整個Matlab/Simulink仿真過程中，輸出頻率f、同步載波比N和等效直流電壓UDC都可以用手工賦值實(shí)現(xiàn)。

SVPWM調(diào)制算法需要用S-function模板編程來實(shí)現(xiàn)。整個SVPWM仿真按功能需要分解成3個功能模塊來分別實(shí)現(xiàn)，這種分成若干個功能模塊來分別實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，符合結(jié)構(gòu)化編程原理，便于算法的分步調(diào)試[6]。

圖9 硬件系統(tǒng)原理圖

功能模塊fs-s，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)載波比N不是6的倍數(shù)時(shí)的自動整定。

功能模塊wave-s，根據(jù)整定好的載波頻率等，產(chǎn)生三角載波信號。

圖10 主程序流程圖

圖11 轉(zhuǎn)速、定子三相電流、轉(zhuǎn)矩輸出圖

圖12 A、B、C三相開關(guān)輸出模式

功能模塊svpwm-s，產(chǎn)生SVPWM調(diào)制信號。

最后接上組態(tài)好的電動機(jī)模型，就能看到電動機(jī)運(yùn)行時(shí)的各種狀況。

4.2 仿真結(jié)果及分析

仿真時(shí)電動機(jī)參數(shù)為:

極對數(shù) P=2，Ls＝0.844H，Lr＝0.86H，Lm＝0.795H，Rs＝1.2 Ω，Rr＝0.03 Ω，轉(zhuǎn)動慣量 J=0.004 kg·m2。取g=7.6，ud=700V，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 TL=1.9Nm。

采用 V/F 控制，取 f＝50Hz，fs=9 600Hz，可得出轉(zhuǎn)速、定子三相電流、轉(zhuǎn)矩輸出曲線如圖11所示。三相開關(guān)模式輸出如圖12所示。

仿真所得出的SVPWM轉(zhuǎn)速曲線圖和輸出開關(guān)圖、定子電流、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速等都與理論分析相吻合。可以認(rèn)為，在SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，各個部分的理論分析推導(dǎo)正確，參數(shù)配合比較恰當(dāng)，仿真對電路設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)具有很高的參考價(jià)值。

5 結(jié)束語

該文基于目前SVPWM調(diào)制技術(shù)，完成了采用與MCS51兼容的AT89C51和AVR單片機(jī)的嵌入式芯片ATmega8515實(shí)現(xiàn)的硬件與控制軟件的設(shè)計(jì)。實(shí)測了電動機(jī)的電壓、電流波形，仿真所得出的SVPWM轉(zhuǎn)速曲線圖和輸出開關(guān)圖、定子電流、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速等都與理論分析相吻合?？梢哉J(rèn)為，在SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，各個部分的理論分析推導(dǎo)正確，參數(shù)配合比較恰當(dāng)，仿真對實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)具有很高的參考價(jià)值，對縮短設(shè)計(jì)周期、提高效率具有重要意義。

[1]陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]李仁定.電機(jī)的微機(jī)控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]趙文峰.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

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[6]Habtler T G，Profamo F，Pastorelli M，et al.Direct torque control of induction machines using space vector modulation[J].IEEE Trans.，1991，28（5）：1045-1053.

Design and simulation of full digital SVPWM AC speed control system

LIU Gang-li
（Chengdu Electromechanical College，Chengdu 610031，China）

The implementation scheme to realize vector variable speed system using low-cost embedded system was presented in this paper.The design of the system software，hardware was optimized，and simulation was carried out.Simulation results demonstrated that the performance of space vector variable speed system was excellent，all parts of the theoretical analysis were correct， parameters were set comparatively appropriate， voltage and current output waveforms met the requirements， speed met the beat control requirements， and there was almost no oscillation. The system design is instructive to control production costs and increase commonality， and the system simulation is important to produce the prototype， shorten the design cycle and improve production efficiency.

digital；space vector；embedded system；simulation；frequency control

TM34；TP391.7

A

1674-5124（2011）01-0092-05

2010-05-28；

2010-08-07

劉剛利（1974-），男，四川仁壽縣人，講師，碩士，主要從事自動化研究。