变频调速技术在风机水泵负载上的应用

李 瑾

(南昌工程学院机械与电气工程学院，南昌 330099)

1 研究背景

我国是一个农业大国，建在江河湖泊上的电力排灌站数量众多，在拖动风机泵类负载的电动机中，大功率电动机在数量上占20%，但在容量上却占80%以上，且风机泵类负载要求的转矩正比于转速的平方，因此对于用来拖动风机、泵类负载的大功率电动机采用变频调速，既可使电机提速用于抗洪排涝，也可降速用于节能节水灌溉，成为目前十分适宜且极为重要的节能措施。空间电压矢量脉冲宽度调制(SVPWM)技术应用于变频调速系统中不但能够减少转矩脉动、降低噪声，而且相对于传统的SVPWM方法，其功率器件的开关次数可减少1/3，直流电压利用率约提高15.47%，具有较好的谐波抑制效果且易于数字化实现［1]。

本文在分析SVPWM控制原理的基础上对一个以TMS320LF2407A型DSP芯片为核心的异步电机SVPWM矢量控制调速系统进行了硬软件设计，试验结果表明，该系统具有优良的动、静态特性。

2 SVPWM控制原理

根据逆变器各桥臂开关状态的不同，可以得到8个电压矢量，其空间分布如图1所示。

图1 基本电压空间矢量Fig.1 Fundamental voltage space vectors

图1中的8个电压矢量包括2个零矢量和6个非零矢量，其中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0，位于坐标原点。这8个空间矢量被称为基本电压空间矢量，分别记作 U0，U60，U120，U180，U240，U300，O000和 O111。

SVPWM方法的目的是通过8个基本电压矢量来逼近电机所需的电压矢量Uout，一般所用方法是在一个PWM周期TPWM内使逆变器输出电压的平均值跟Uout相等。如果 TPWM很小，在TPWM周期内使Uout的变化很小，则具体的实现方程为

式中:t1，t2分别为电压矢量Ux和Ux±60对应开关管的导通时间;TPWM是Uout作用的时间，有T1+T2+T0=。

3 系统硬件设计

该系统采用交－直－交电压型变频电路，由主回路和控制电路2大部分组成。主电路由二极管不控整流电路、滤波电路、IGBT逆变电路3个主要部分组成。系统控制电路包含DSP核心电路和外部扩展电路。

DSP核心电路部分采用合众达公司提供的TMS320F2407A简易开发板－EVM板，负责整个系统的控制和具体的算法实现功能。该开发板主要包括:①主控芯片TMS320LF2407A，PGA封装;②外部存储器扩展电路，使用Cypress公司生产的16位64K字节的SRAM芯片CY7C1021，采用CMOS工艺，具有自动低功耗模式，可保证低的散热量;③电源部分，TMS320LF2407A芯片工作电压为3.3 V，因此这里采用了具有延迟复位功能的电源芯片TPS7333来实现+5 V到+3.3 V的电压转换，其最大输出驱动能力为500 mA，大于DSP芯片在20M晶振下使能所有的外设模块的最大工作电流120 mA;④晶振电路采用15 M的晶振，可通过设定DSP内部倍频系数来实现需要的指令执行速度。另外该开发板还包括发光二极管及DSP芯片的管脚引出端子，便于外部扩展。DSP的外部扩展电路主要包括PWM输出与光耦驱动的接口电路，按键输入电路，电压、电流和速度信号的检测电路，数据显示以及故障检测和保护电路。

3.1 驱动隔离电路

系统驱动电路采用美国IR公司的双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器IR2110，它具有自举浮动电源，只用一路电源可同时驱动上、下桥臂，驱动电路的设计如图2所示，图中自举电容C1采用钽电容，VCC通过D1向C1充电，而C1的充放电频率就是IGBT的开关频率，因此D1选用快恢复二极管FR157(1000V/1.5A)，C2为VCC的滤波电容。

图2 IR2110驱动电路Fig.2 IR2110 driving circuit

光耦隔离设计电路见图3，这里采用快速光耦6N136来进行主电路和控制电路的可靠隔离。考虑到光耦采用集电极输出，当输入在默认状态都为低电平时，光耦输出都为高电平。若这样直接连接IR2110来驱动开关器件，会使上、下桥臂2个IGBT同时导通即直通，因此在光耦输出后面接有CD4049反相器，使初始输出状态为低电平［3]。

图3 光耦隔离电路Fig.3 Photoelectric coupling isolation circuit

3.2 电机转速检测电路

本文采用M法测速，选用欧姆龙(OMRON)公司的分辨率为1024P/R的增量式光电编码器E6B2－CWZ6C，它由5～24 V 供电，有A，B，Z三路输出，其中A，B两路脉冲相位互差90°，且能根据两路脉冲的先后顺序判别电机的转向。Z为基准脉冲，用作系统清零信号，以减少测量的累积误差。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)即可。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=60 ×m/(NT)r/min［4］。

3.3 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±15 V，量程选择0～5 A，输出电流为0～25 mA。

由于DSP的ADC的输入信号为0～3.3 V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整。电流检测电路如图4所示，霍尔传感器输出的电流信号先通过采样电阻R1转化为电压信号，然后经过R2和C1滤掉高次谐波，再经过射极跟随电路(U1A)和1.65 V的电压抬升电路(U1B)，最后使输出电压U0在0～3.3 V之间，且以1.65 V为中心上下波动。

4 SVPWM算法的数字实现

4.1 U out所在扇区的判断

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Uout所在的扇区，就能确定用来合成Uout的2个相邻的基本电压空间矢量。当得出Uout分别在α轴和β轴上的2个分量Uα和Uβ后，可计算出:

上式中，Uα和Uβ分别是期望电压矢量Uout在α轴和β轴上的2个分量，前文已述。vref1，vref2，vref3是为表示扇区号而设的3个电压。

令N=4Sign(vref3)+2Sign(vref2)+Sign(vref1)，则N与扇区号的对应关系如表1所示［5］。

图4 电流检测电路Fig.4 Current detection circuit

表1 N与扇区号对应关系Table 1 The corresponding relation between N and sector number

4.2 相邻两矢量作用时间的确定

由(1)式可知，确定了用来合成 Uout的2个相邻的基本电压矢量Ux和Ux±60之后，还需算出这两个矢量的作用时间T1和T2，从而得到空间矢量比较器的切换点。设X，Y，Z为相邻两矢量作用时间的3个量，则:

则与各扇区相邻两矢量作用时间T1，T2的取值如表2所示。

表2 T1，T2赋值Table 2 Values of T1，T2

4.3 确定比较器的切换点

为了计算空间矢量比较器切换点Tcm1，Tcm2，Tcm3，定义 Ta=(TPWM－T1－T2)/4，Tb=Ta+T1/2，Tc=Tb+T2/2，则各扇区的切换时间如表3所示。

表3 各扇区的切换时间表Table 3 Switch time of sectors

5 系统软件设计

控制系统的TMS320LF2407A程序直接使用汇编语言编写，由主程序和中断服务子程序构成。中断子程序流程图如图5所示。

图5 中断子程序流程Fig.5 Interruption subprogram flow chart

主程序主要是完成各寄存器设置及参数变量的初始化。中断下溢子程序主要完成设计中控制部分的算法，是整个软件设计的核心。所有的矢量控制算法如电流、速度控制算法以及SVPWM波的产生等都是在定时器1的下溢中断子程序中进行，高性能的DSP确保了控制算法的实时执行。本文将定时器1设定工作在连续增/减计数模式，PWM中断由定时器1的下溢事件来触发。

6 实验结果

本文中所用异步电机的基本参数:

额定功率PN=750 W;

额定定子电压UN=220 V;

额定定子电流IN=2 A;

额定转速nN=1 380 r/min，Y形接法。

在控制端两相之间加RC滤波测得的波形可近似地看成是线电压波形，图6是给定频率为30，40，50 Hz时线电压的波形。从图6中可以看出随着频率的平滑上升，线电压的峰峰值也逐渐上升，基本达到了在50 Hz以下的恒压频比变频调速。实验结果表明，本文给出的变频调速系统具有电压利用率高、输出电流谐波少、控制精度高等优点。

图6 不同给定频率下的线电压波形Fig.6 Line voltage waveform under different frequencies

7 结语

本文给出了一种以TMS320LF2407A型DSP芯片为核心，利用SVPWM技术构成的变频调速系统，并在介绍SVPWM基本原理的基础上对该系统进行了硬软件设计。

实验结果表明，该调速系统具有优良的动、静态特性和好的控制效果。文中调速系统的实验是以额定功率750 W的异步电机为被控对象，对于需要拖动风机、泵类负载的大功率电动机调速系统，可采用由IGBT智能模块构成的交－交变频器以增大能量转换效率并提高工作的可靠性，再加上一般风机、泵类负载适于运行的频率范围为15～50 Hz，且要求的调速范围不大，因此该变频调速方案用于风机、泵类等高能耗设备仍可获得较好的控制效果，并拥有广阔的应用前景。

［1］黄少瑞，郝润科，朱 军，高源炯.基于DSP的异步电机SVPWM 控制技术实现［J］.电气自动化，2010，32(5):19－22.(HUANG Shao-rui，HAORun-ke，ZHU Jun，et al.SVPWM Control Technology Implementation of Induction Motor Based on DSP［J］.Electrical Automation，2010，32(5):19－22.(in Chinese))

［2］舒 州，沈安文.基于DSP的空间矢量控制的交流调速系统［J］.华中科技大学学报(自然科学版)，2002，30(12):47－ 48.(SHU Zhou，SHEN An-wen.The SVPWM-controlled Induction Motor Drive Based on DSP［J］.Journal of Huazhong University of Science＆Technology(Nature Science)，2002，30(12):47－ 48.(in Chinese))

［3］李 刚，刘 巍，于学敏.高速光耦6N135/6N136及其应用［J］.电子技术应用，1996，3:51－52.(LI Gang，LIU Wei， YU Xue-min. High-speed Optocoupler 6N135/6N136 and Their Applications［J］.Electronics Technology Application，1996，(3):51－52.(in Chinese))

［4］佘 艳，佘远华.全数字矢量控制SVPWM的变频调速系统实现［J］.电力自动化设备，2006，26(2):76－79.(SHE Yan，SHE Yuan-hua.Realization of Digital Vector Controlled SVPWM Frequency-variable Speed-adjustable System［J］.Electric Power Automation Equipment，2006，26(2):76－79.(in Chinese))

［5］杜志勇，王鲜芳.基于DSP的感应电动机SVPWM矢量控制调速系统［J］.电力电子技术，2007，41(9):26－32.(DU Zhi-yong，WANG Xian-fang.SVPWM Speed Governing System of Induction Motor based on DSP［J］.Power Electronics，2007，41(9):26－32.(in Chinese ))