1、封面作者： PanHongliang供個人學習基于DSP的三相SVPWM變頻調速系統的設計摘要根據電壓矢量的基本原理，利用TMS320LF2407A，對電流 采樣、速度檢測、驅動保護以及控制系統進行軟件設計。設計出 基于DSP控制系統的SVPWM的變頻調速系統控制器。使得逆變 電源的智能化程度更高，性能更加完美 。關鍵詞：DSR SVPWM變頻調速系統目錄第1章 設計目的及意義5第2章SVPWM基本原理62.1電壓空間矢量脈寬調制法（SVPWM）62.2電壓空間矢量技術的基本原理72.2.1三相逆變器輸出電壓的矢量表示72.2.2磁鏈軌跡的控制82.3SVPWM波的生成9第3章 系統方案及硬件

2、設計103.1系統方案103.2主電路設計113.3PWM驅動電路113.4故障保護電路123.5鍵盤和液晶12第4章 系統軟件設計14第5章 設計總結15參考文獻16附錄程序清單17第1章 設計目的及意義訓練學生正確地應用運動控制系統，培養解決工業控制、工業檢測等領域 具體問題的能力；通過課程設計，熟悉運動控制系統應用系統開發、研制的過 程，軟硬件設計的工作方法、工作內容、工作步驟；對學生進行基本技能訓 練，例如組成系統、編程、高度、繪圖等，使學生理論聯系實際，提高動手能 力和分析問題、解決問題的能力。第2章SVPWM基本原理2.1電壓空間矢量脈寬調制法( SVPWM )隨著電力電子器件和微

3、電子技術的迅速發展，以及高性能控制方法在交流 調速系統中的應用，交流調速系統的發展非常迅速。特別是采用了專為電機控 制開發的數字信號處理器DSP為核心的全數字化控制系統，為高性能的控制方 法提供了可靠的硬件環境。這種DSP集中了電動機控制所必須的可增加死區和 靈活多變的多路PWM信號發生器，高速高精度ADC，以及用于電機速度和位 置反饋的編碼器接口等電路。目前國內外應用于工業生產領域的變頻器，很多 都把DSP作為控制核心，充分利用其高速運算能力和強大的控制功能以實現高 性能的變頻控制。電壓空間矢量脈寬調制方法(SVPWM)為交流電機的一種控制方法，電壓空 間矢量PWM方法和普通的正弦PWM方法

4、不同，它是從電機的角度出發，把 電機和逆變器看作一個整體考慮，不簡單從得到電壓電流正弦出發，著眼于如 何使電機獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場，即正弦磁通。其以三相對稱正弦波電 壓供電時交流電機的理想磁通圓軌跡為基準，用逆變器不同的開關模式所產生 的實際磁通去逼近基準圓磁通，并由它們比較的結果決定逆變器的開關狀態， 形成PWM波形。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡的控制是通 過交替使用不同的電壓空間矢量實現的，所以又稱“電壓空間矢量PWM(space vector PWM，SVPWM)控制”。SVPWM較之于SPWM，SVPWM在輸出電壓或電機線圈的電流都將產生 更少的諧波，提高了對電壓源

5、逆變器直流供電電源的利用率。提高了電壓型逆 變器的電壓利用率和電動機的動態響應性能，同時減少了電動機的轉矩脈動， 簡單的矢量模式切換更易于數字化實現。由于該控制方法把逆變器和異步電機看作一個整體來處理，所用到的數學 模型和數字算法均很簡單，便于微處理器實時控制，且具有轉矩脈動小，噪聲 低、直流電壓利用率高、開關頻率低的優點，因此目前無論在開環調速系統或 閉環調速系統中均得到廣泛的應用。2.2電壓空間矢量技術的基本原理2.2.1三相逆變器輸出電壓的矢量表示圖0.1所示電路為三相逆變器供電給異步電動機的原理圖。圖中有6個功 率開關管，當當上橋臂開關管處于 “開” 狀態，下橋臂開關管處于“關”狀態

6、時，則用“1”表示；當下橋臂開關管處于“開”狀態，上橋臂開關管處于 “關”狀態時，則用“0”表示。三個橋臂共有000、001、010、011、100、101、110、111八種開關模式，其中000、111開關模式使逆變器輸出電壓為 零，稱這兩種開關模式為零狀態。只要控制這些基本空間矢量的組合，同時再 將零矢量合理分配，就能使瞬態輸出空間電壓矢量按一定的圓形軌跡旋轉。圖 0.1 三相逆變器主電路電壓源逆變器可由圖 0.2所示的6個開關來等效表示。如圖 0.2所示，當上 橋臂開通、下橋臂關斷時，即Sa=1時，；當上橋臂關斷、下橋臂開通時，即Sa=0時，。Sc亦同。逆變器的8種開關模式對應有8個電壓

7、空間矢量。采用坐標變換，將三相 電壓變換到d-q軸系。（2.1）式中：通過不同的矢量組合可以合成新矢量，設相鄰兩個有效矢量Vi和Vm,零 矢量為Vo,合成新矢量Vout,矢量作用時間分別是Ti、Tm、To。Tpwm是PWM脈寬周期。合成新矢量的表達式為（2.2）（2.3）矢量分別投影到橫、縱坐標軸,得（2.4）圖 0.2 逆變器等效圖(2.5)整理可得SVPW的基本公式為(2.6)(2.7)2.2.2磁鏈軌跡的控制逆變器按照所示電壓依次輸出給電動機供電，則電動機定子磁鏈矢端的運 動軌跡將是一個正六邊形，而不是所希望的圓形磁場，電動機電流波形將會出 現較大的尖峰。從而改善點擊電流波形和提高電力電

8、子半導體器件的實用效率 的角度考慮，可以適當提高開關頻率，這樣可以利用空間矢量的線性持續時間 組合使產生的磁鏈軌圖 0.3 基本空間電壓矢量跡逼近圓形。若逆變器的采樣周期為T,則有：(2.8)其中t1,t2為某兩個非零空間電壓矢量在采樣周期內作用的時間，t0為零矢量作用的時間。由積分近似公式有：(2.9)*V為正弦電壓設定值，V T為在第k個采樣周期的磁鏈設定值的增量，V1t1和V2t2為電壓矢量V1和V2分別在各自的作用時間里所產生的磁鏈增 量。由正弦定理得：(2.10)由此可推證：(2.11)式10中a為調制比；丫為V*與V2之間的夾角。只要調整t2、t0的作 用時間，就可以達到變頻調速的

9、目的。此外，為了使磁鏈的運動速度平滑，零 矢量不是集中加入，而是將零矢量平均分成幾份，多點地插入到磁鏈軌跡中， 但作用時間和仍為t0,這樣就可以減少電動機的轉矩的脈動。圖 0.4 空間矢量的線性合成2.3SVPWM 波的生成只要給定輸出頻率、輸出線電壓、直流母線電壓后，就可以生成SVPWM，步驟如下。1.連續不斷地合成新的矢量，就能令電機產生圓形的磁場。新矢量的角度 遞增關系為（2.12） 式中：角頻率，f是輸出頻率。2.根據角度a落在6個不同區間，選擇不同的有效矢量Vi和Vmo。3.有效矢量Vi和Vm作用的先后次序，決定磁場的旋轉方向，最終決定電機是正轉或反轉。4.根據SVPWM生成方案，交

10、由SVPWM狀態機計算，得到計算結果。第3章 系統方案及硬件設計3.1 系統方案異步電機變頻調速系統硬件框圖如圖 0.5所示。系統主要由主電路模塊和控 制模塊兩部分組成。主電路采用交直交電壓型逆變電路，主要由整流電 路、濾波電路及智能功率逆變電路組成， 逆變電路則由IPM模塊來完成。 控制 電路以DSP為核心， 完成SVPWM算法，實現人機交互功能，同時，DSP還監 控整個系統的運行狀態，當系統出現故障時，DSP封鎖PWM輸出信號，防止 發生故障而燒壞器件，確保系統的安全運行。圖 0.5 系統硬件圖本系統采用TMS320LF2407A，它是TI公司專為工業控制和電機控制推出 的系列產品。這款D

11、SP將實時處理能力和控制器的外設功能集于一身。有如下 特性：靈活的指令系統；高速的運算能力；大容量的存儲能力；有效的性能價 格比。主要應用領域包括：工業電機驅動；逆變電源；功率轉換器和控制器； 汽車系統；儀表和壓縮機電機控制；機器人和計算機數字控制機械。TMS320LF2407A具有2個事件管理器；32位中央算術邏輯單元；32位累 加器；16位X16位乘法器；3個比例移位器；間接尋址用的8個16位輔助寄存 器和輔助算術單元；4級流水線操作；8級硬件操作；6個可屏蔽中斷；544字 的片內DARAM和2K字的片內SARAM；32K字片內FLASH程序存儲器；64K程序存儲空間；35.5K數據存儲空

12、間；I/O空間64K。此外還有功能強大的 外設：串行通信接口SCI;串行外圍接口SPI；CAN總線控制器；事件管理器EV；A/D轉換器；看門狗WD。TMS32OLF24O7A芯片是通過3條總線實施指令讀取、澤碼、取操作數、執 行指令等操作。TMS32OLF24O7A中有兩個事件管理器EVA和EVB，它們都有一特殊硬件 SVPWM狀態機器件。因此2407A具有兩個SVPWM狀態機。本系統采用EVA，利用2407A內部自帶的SVPWM狀態機生成波形。3.2 主電路設計本系統采用交-直-交電壓型逆變電路，主電路的額定容量為200W,主要由整流電路、濾波電路及逆變電路組成。選取整流橋為KBJ10A-1

13、0（即10A，1000V），整流后的直流電壓Udc=1.2Ui。主電路工作時，因為智能功率模塊IPM的開關頻率很高，開關動作時會在直流側產生電流突變，由于主電路分別電感 的存在，在IPM模塊內部的IGBT的集電極和發射極以及直流母線上會出現浪 涌電壓，不但影響逆變器的工作，還會損壞IGBT，因此需要在逆變橋上加上一 個吸收緩沖電路，圖 0.5中的電容C2和電阻R2就是一個吸收緩沖電路。C2為 無極性電容，R2為無感電阻，二者接線時應盡量靠近IPM的直流進線端，減少 電感可能引起的震蕩。逆變電路由智能功率模塊IPM來完成，這里選用三菱公司的智能功率模塊IPM，選取額定電流20A、 耐壓600V的

14、IPM模塊:PM20CTM060。 其內部結構 如圖0.6所示。IPM供電電壓為四組+15V電源。它有過流、過熱、欠壓、短 路四種保護。有故障時，IPM低電平輸出電流為10mA，寬度為1.8ms的脈沖信 號，由于其內部的保護并不是針對反復出現的故障，所以一旦輸出故障信號FO,系統必須馬上做出反應，停機檢查，否則循環輸出故障信號容易打壞模 塊。智能功率模塊的選用，大大減少系統的體積，提高了系統的性能和可靠 性。圖 0.6 IPM 內部結構圖3.3PWM 驅動電路以u相上橋臂為例，其驅動接口電路如圖0.7所示，由于驅動電路控制電 壓是5V，而DSP輸出的PWM脈沖電壓幅值是3.3V，因此需要進行電

15、平轉 換，本設計采用電平轉換芯片74LVC4245實現從3.3V到5V的轉換。光耦采用 高速光耦芯片TLP521，在光耦的輸入端接入限流電阻R7,防止電流過大燒壞 光耦，在IPM的控制信號輸入端連接上拉電阻R1R6，以防止由于du/dt的作用而產生誤動作圖 0.7 PWM 驅動電路3.4 故障保護電路當IPM的FO引腳輸出低電平脈沖，經光電耦合后把DSP的PDPINTA引 腳也拉為低電平，此時所有的PWM輸出管腳都呈高阻狀態。同樣，它與DSP的接口電路也需要進行電平轉換，這里采用電阻分壓的方式，具體接口電路如 圖0.8所示。還設計有蜂鳴器報警電路，當故障信號輸出時，蜂鳴器報警，提 醒操作者第一

16、時間做出反應，防止故障循環輸出。圖 0.8 FO 故障輸出信號觸發電路3.5 鍵盤和液晶本實驗平臺的鍵盤輸入采用4X4的矩陣式鍵盤，有0-9共10個數字按鍵 和A-F共6個輔助按鍵。與DSP接口電路如圖 0.9所示。本系統能夠完成異步電機的變壓變頻調速實驗，因此鍵盤的主要功能是輸 入頻率指令值和啟、停電機以及對電機的加減速控制。鍵盤各個鍵的功能說明 如表01所示。圖 0.9 鍵盤輸入及液晶顯示鍵值0-9ABCDEF功能頻率輸入加速減速待用刪除啟動停止表 01 鍵盤各值功能從附表中可以看到，實驗充分利用了矩陣式鍵盤按鍵豐富、顯示明確的特 點，數字鍵和字母鍵分別實現不同的功能，賦值明確，一目了然，

17、便于操作。系統顯示采用液晶顯示模塊RT12232F。為了節省資源，盡量少占用DSP的I/O口，因此液晶顯示采用串行控制方式。接口電路如圖 0.9所示。將顯示模 塊串口的同步時鐘引腳（SCLK）和數據輸入引腳（sid）與DSP的兩個通用I/O相 連。在對比度調整端通過接入10KW的電位器來調整顯示器的背光和對比度， 使顯示更加清晰。由于液晶顯示模塊的工作電壓為5V，所以加入電平轉換芯片實現電平轉換。將液晶顯示與鍵盤輸入相結合，即能完成人機通訊的任務。這里液晶顯示 器可以實時顯示鍵盤設定的頻率和通過光電編碼器測得的轉速值。第4章 系統軟件設計系統軟件由主程序、中斷程序和子程序組成。其中，主程序包括

18、系統初始 化和主循環等待。子程序包括電機運行頻率和指令給定子程序、顯示子程序。 中斷程序包括SVPWM波形的生成和功率驅動保護中斷程序。系統主程序流程 圖如圖 0.10 主程序流程圖所示。使用的是目前最流行的七段式SVPWM波形生成 法。利用DSP定時器的下溢功能產生中斷，即進入子程序計算出下一個PWM周期的三個比較寄存器的比較值。程序可以實現調制波頻率0-50Hz的變頻功 能、死區功能，其中載波頻率和采樣頻率可以根據實際情況由軟件進行設置。圖 0.10 主程序流程圖圖 0.11 中斷子程序流程第5章 設計總結通過這次課程設計，通過本次運動控制課程設計，學習和鞏固了很多運動 控制相關知識和DS

19、P基礎知識。從最初不熟悉設計流程到順利完成整個設計， 中間付出了辛勤的汗水和寶貴的時間。在設計過程中，不但學會了怎樣運用已 學的知識到實踐當中，而且學會了怎么樣有效地查找資料，提高工作效率，提 高了管理和溝通能力。在設計過程當中，得到了老師和同學的熱心幫助，感謝 老師和同學的指導和幫助。該設計利用DSP設計的信號發生器不僅成功實現了輸入時間信號到SVPWM觸發信號的轉換，而且具有良好的抗干擾能力。此外，其并行處理結 構可以保證三相橋臂開關同時動作，有效地提升了控制系統的整體性能。可簡 便地應用于逆變器控制系統中。該設計完全實現數字化，可靠性高，控制精度高，性能優良。參考文獻1孟慶春.電力拖動自

20、動控制系統。沈陽：東北大學出版社，20052王兆安.電力電子技術M.北京：機械工業出版社，2000.3張廣溢.電機學M.重慶：重慶大學出版社，2002.4陳伯時.電力拖動自動控制系統（第2版）M.北京：機械工業出版社.20055阮毅,陳維鈞.運動控制系統.北京：清華大學出版社.20066夏楊.計算機控制技術。北京：機械工業出版社.20077郁春蘭.計算機原理與接口技術.北京：人民交通出版社.20078李定仁.電機的微機控制.北京：機械工業出版社.20079王軍.自動控制原理M.重慶：重慶大學出版社，2008.附錄 程序清單.include 240 x.h。 寄存器地址.global_c_int

21、0。全局化標號。- 以下定義變量 -ST0 .set 0狀態寄存器ST0ST1 .set 1狀態寄存器ST1.bss TEMP,1。臨時變量.bss SET_F,1。頻率調節比，Q16格式（值為0-1,對應0-50Hz）.bss THETA_S,1。9-扇區數轉換系數,Q15格式.bss SECTOR,1。參考電壓所在的扇區數,Q0格式.bss THETA_90,1。90度,Q12格式.bss THETA_180,1。180度,Q12格式.bss THETA_270,1。270度,Q12格式.bss THETA_360,1。360度,Q12格式.bss DEC_MS,24。6個逆陣,Q14格式

22、.bss T1_PERIODS,1。定時器1周期值,Q5格式.bss CMP_1,1。第1基本矢量,Q0格式RESETB _c_int0。地址0000H，復位，優先級1INT1B PHANTOM。地址0002H，INT1，優先級4.sect .vectors定義主向量段INT2 B _C_INT2。地址RESERVED B PHANTOMSW_INT8 B PHANTOMSW_INT27 B PHANTOMSW_INT28 B PHANTOMSW_INT29 B PHANTOMSW_INT30 B PHANTOM0004H，INT2，優先級5o地址000EH，測試，優先級10。地址0010H，

23、自定義軟中斷o地址0036H，自定義軟中斷o地址0038H，自定義軟中斷o地址003AH，自定義軟中斷o地址003CH,自定義軟中斷SW_INT31 B PHANTOM。地址003EH，定義子向量段PVECTORSBPHANTOM。偏移地址0000HBPHANTOM。偏移地址0001HBPHANTOM。偏移地址0002HBPHANTOM。偏移地址002FHBPHANTOM。偏移地址0030HBPHANTOM。偏移地址0031HBPHANTOM。偏移地址0032HBPHANTOM。偏移地址0033HBPHANTOM。偏移地址0034HBPHANTOM。偏移地址0035HBPHANTOM。偏移地址

24、003FHBPHANTOM。偏移地址0040HBPHANTOM。偏移地址 0041H.text。-系統初始化程序_c_int0SETC INTM。禁止中斷CLRC CNF。B0為數據存儲區LDP #224SPLK #68H,WDCR。不用看門狗LDP #225LACC MCRAOR #0FC0H。設置PWM1-6引腳SACL MCRA定義子向量段o中斷初始化程序o自定義軟中斷LDP #0SPLK #0FFH,IFR。 清所有系統中斷標志SPLK #00000010B,IMR。 開INT2中斷LDP #232SPLK #0200H,EVAIMRA。 開T1下溢中斷SPLK #16000,T1_P

25、ERIODS。T1周期值的Q5格式,500*32SPLK #11585,MAX_V。 最大參 考電壓幅 值SPLK#10053,F_OMEGA。頻率調節比-角頻率轉換率,Q5格式CHK_UPLIMSACL THETA_M。 在第四象限LAR AR0,TEMP。指向該地址LACC CMP_0ADDCMP_1ADD CMP_2。CMP_0+CMP_1+CMP_2SACL *。 送入該比較器B REST。 返回.data。 -數據段.word 4516,4790,5063,5334,5604.word 5872,6138,6402,6664,6924.word 7182,7438,7692,7943

26、,8192.word 8438,8682,8923,9162,9397.word 9630,9860,10087,10311,10531.word 10749,10963,11174,11381,11585.word 11786,11982,12176,12365,12551.word 12733,12911,13085,13255,13421.word 13583,13741,13894,14044,14189.word 14330,14466,14598,14726,14849.word 14968,15082,15191,15296,15396.word 15491,15582,1566

27、8,15749,15826.word 15897,15964,16026,16083,16135.word 16182,16225,16262,16294,16322.sect .pvecs.word 16344,16362,16374,16382,16384.end版權申明本文部分內容，包括文字、圖片、以及設計等在網上搜集整 理。版權為潘宏亮個人所有This article in eludes some parts, in cludi ng text, pictures, and design. Copyright is Pan Hon glia ngs pers onal own ership.用戶可將本文的內容或服務用于個人學習、研究或欣賞，以及 其他非商業性或非盈利性用途，但同時應遵守著作權法及其他相關 法律的規定，不得侵犯本網站及相關權利人的合法權利。除此以 外，將本文任何內容或服務用于其他用途時，須征得本人及相關權 利人的書面許可，并支付報酬