基于DSP的高性能变频调速控制系统的研究

黄俊

（湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲 412001）

基于DSP的高性能变频调速控制系统的研究

黄俊

（湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲 412001）

随着电力电子器件和微处理器技术的不断发展，交流变频调速系统得到了迅猛的发展；本文设计了以TMS320F28335为核心的硬件控制电路，对交流调速SVPWM算法进行了实验，实验结果验证了这种算法的正确性。在此基础上，对变频调速系统的VF控制系统进行了实验研究，实验结果表明：控制系统实现了异步电机的变频控制，具有良好的动态响应。

变频调速系统；SVPWM算法；VF控制系统

Abstract:With the rapid development of power electronic devices and microprocessors，AC variable frequency and speed regulating system has also made a breakthrough.The thesis introduces the hardware circuit design based on TMS320F28335，and the result of the experiment proves the SVPWM algorithm is correct.It also does some research on VF control system of the inverter and the result of the experiments proves that the control system achieves the purpose，and has a quick dynamic response.

Key words:frequency control system；SVPWM algorithm；VF control system

当前，交流变频调速系统在工业领域应用越来越广泛，我国发电量的近60%用于驱动电动机，而其中90%的电动机是交流电动机。常用于电力、冶金、钢铁、石化等各种负载设备，在这些应用中大多数采用直接恒速拖动，造成了大量的能源浪费。此类负载工况变化较大，必须改变原有直接恒速拖动，采用交流调速技术，达到节能的效果。

国内大容量高性能交流调速系统正在投入使用的产品比较少，研制工作起步较晚，目前很多必须的场合均为国外产品所占领。但国外产品价格昂贵，且国外的电网等级与国内的不同，国外进口变频器在应用过程中存在着电网等级不匹配的问题。因此，性能可靠、价格合理的高压大容量高性能变频调速装置的研究迫在眉睫。同时应用PWM整流器可解决不可控整流器的谐波污染问题。

1 系统整体设计

本设计的三相PWM变频器系统实验平台的硬件由主电路和控制电路两部分组成。系统实验平台结构图如图1所示。

2 系统硬件电路设计

2.1 DSP主要外围电路

1）电源

采用TI公司专门为DSP控制系统设计的电源芯片TPS73HD301，其输入电压为5 V，输出有固定3.3 V和1.2～9.75 V可调，通过调节电阻值比可以调节输出电压至1.9 V，满足系统应用需求。

2）时钟电路

本设计采用的DSP芯片的时钟频率为150 MHz，由30 MHz的外部有源晶振时钟信号通过DSP内部的PLL倍频得到。它不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，性能稳定，连接简单，配置电路简单。如图2所示。

图1 系统实验平台结构图

图2 时钟电路

3）复位电路

设计采用复位芯片SP708R，复位芯片与常规的复位电路相比可靠性更高，电路更加简单。复位电路如图3所示。

图3 DSP复位电路

4）外部存储电路

控制系统需要保存大量的参数，例如电机的铭牌参数、PI调节器的参数、故障代码等，考虑到DSP的I/O端口电压为3.3 V，故选用3.3 V的EEPROM芯片24WC256。DSP通过I2C总线对24WC256进行读操作和写操作。

2.2 ADC接口电路

在三电平逆变器的VF控制过程中，需要检测直流母线电压和异步电机的相电流，而检测直流母线电压和相电流的传感器的输出值的范围不在设计选用的DSP的ADC模块模拟量输出范围内，需要对传感器检测到的电压值进行数字化处理，满足其对模拟量输入的要求。

电压检测接口电路如图4所示。

电流检测接口电路在电路的基本结构上与电压检测接口电路近似，增加了直流偏置电路来设置。

图4 电压检测电路

2.3 码盘接口电路

在异步电机的矢量控制中，电机转速选用光电编码器来检测。本设计中选用的是E6B2-C，分辨率为每转1 000个脉冲，需要设计码盘接口电路来进行脉冲信号的电平变换。达到设计的需要。

2.4 电平转换电路

在整个电路设计中，IGBT模块驱动电路、码盘接口电路以及输入输出的数字量电压信号都是5 V电压，而DSP和CPLD的I/O端口电压为3.3 V，设计采用电平转换芯片SN74ALVC164245，该芯片驱动能力强，具有多路接口，使用方便，并且可以通过DIR引脚来设置信号的传输方向。

3 系统的软件设计

系统软件设计主要采用VF控制算法，在调速过程中频率和电压的比保持不变，电源频率改变时，电机的定子磁通保持恒定。

交流异步电机定子绕组的感应电动势有效值可由式（1）表示。

式中，E：感应电势，k：常数，f：频率，φ：定子磁通，U：定子电压。

在调速过程中，电压不变时，假设频率下降，磁通将会增加，当频率下降到特定值后磁通饱和，电流将产生畸变，削弱电磁转矩，从而会影响机械特性；同理假设频率增大，磁通将会下降，这样就会导致负载能力下降。因此采用VF控制算法，即当频率变化时，保持U与f的比值不变。

调制算法采用消除偶次谐波的SVPWM算法控制，其主要作用是保证电压空间矢量运行轨迹为圆形，产生的输出必须谐波含量少、直流母线电压利用率高。根据伏秒平衡原理，调整开关管的导通时间，确定基本电压矢量和顺序组合后，从而获得设计所需的参考电压空间矢量，实现交流电动机的变频调速，效果良好。

其算法框图如图5所示。

图5 VF控制系统框图

给定速度为900 rpm，空载情况下的MATLAB仿真结果如图6所示，其中（a）为转速波形，（b）为相 电流波形。

图6 空载情况下的MATLAB仿真结果

从图6可以看出，电机动态响应良好，运行情况稳定。

本设计的程序流程中，把电机的状态分为4种状态，即系统空闲，系统启动，系统运行，系统停止。中断系统采用了EPWM中断和定时器中断。流程如图7示：

为了对控制系统策略进行实验验证，搭建了双PWM变频器的实验平台。其结构图如图8所示。

变频控制系统的重点和基础是SVPWM调制算法，前文通过Simulink已经对改进的三电平SVPWM算法进行了仿真验证，在此基础上，利用双PWM变频器的实验平台，对SVPWM算法进行实际验证性实验，其检测到的电流波形和FFT分析如图9所示。

电机启动过程中，控制系统将通过ADC检测到的A相电流波形如图9所示，给定频率为25 Hz时，使用示波器的谐波分析功能，对电流波形进行谐波分析，可以发现电流波形的基波频率与给定频率一致。

其空载时的转速波形如图10所示，与仿真结果相一致，具有良好的动态性能。

图7 系统主程序流程图

图8 实验平台结构图

图9 电流波形与FFT分析

图10 转速波形

4 结 论

本文设计了以TMS320F28335为核心的硬件控制电路，在此基础上，搭建了爽PWM变频器的试验平台，对交流调速SVPWM算法进行了实验，实验结果验证了这种算法的正确性。在此基础上，对变频调速系统的VF控制系统进行了实验研究，实验结果表明：控制系统实现了异步电机的变频控制，具有良好的动态响应。

[1]石健将，李荣贵，张平，等.基于新型电压电流双闭环控制的轴带发电机PWM整流器研究 [J].电工技术学报， 2014，6（29）：189-193.

[2]李金鹏.基于不可控整流的单相PFC研究[J].电子技术， 2014，4（4）：12-15.

[3]方志聪.基于FFT变换的电网谐波分析及其仿真研究[J].电气应用， 2014，4（33）：68-70.

[4]黄蔷.基于SVPWM变流技术的电池检测系统的仿真研究[J].电源技术应用，2014（1）：96-97.

[5]陈明.三相整流设备晶闸管选用研究及功率因数分析[J].电气工程应用， 2013（1）：23-25.

[6]张石.一种大功率可控整流电路的控制方法[J].电源技术， 2012（12）：1938-1940.

[7]瞿博，吕征宇.三相电压型PWM整流器小信号建模及其控制器设计 [J].电工技术学报，2010，25（5）：103-108.

[8]张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012.

[9]赵俊华，文福拴，杨爱民，等.电动汽车对电力系统的影响及其调度与控制问题[J].电力系统自动化，2011，35（14）:2-8.

[10]倪靖猛，方宇，邢岩，等.基于优化负载电流前馈控制的400HZ三相PWM航空整流器[J].电工技术学报， 2011，26（2）：141-146.

[11]钟炎平，沈颂华.PWM整流器的一种快速电流控制方法[J].中国电机工程学报， 2015，25（12）：52-56.

[12]周锦荣，王辉，周小方.三相逆变电源系统的SVPWM技术研究[J].宁夏大学学报， 2013，34（4）:317-319.

[13]王晓东，李岚.一种用于双电源系统的三相逆变电源[J].电气技术， 2012（10）：13-15.

[14]曹太强，祁强，王军.三相逆变电源不平衡负载控制方法的研究[J].电机与控制学报， 2013，16（4）:53-55.

[15]吴家梁，樊波，刘嘉，等.三相SVPWM逆变电源输出波形优化控制策略[J].空军工程大学学报：自然科学版， 2013，14（4）:91-94.

Research and design of high-performance DSP control system based on frequency control

HUANG Jun
（Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou412001，China）

TN74

A

1674－6236（2017）19-0153-04

2016-08-24稿件编号201608178

黄 俊（1969—），男，湖南株洲人，硕士，讲师。研究方向：控制系统与控制理论、电气工程。