基于空间矢量PWM算法的全数字化调速系统A Fully Digitalized AC Speed Regulation SystemBased on Space Vector PWM Control Algorithem华中理工大学 詹长江 陈 坚 康 勇 段善旭 (武汉 430074)摘要:提出一种基于空间矢量PWM算法的全数字化交流调速系统。
该系统采用双80C196K C单片机控制结构,双机之间数据并行通讯由双口RAM来完成。
此外,还提出了一种新颖的定子电流检测方法,该方法基于空间矢量P WM算法,在逆变器零开关矢量作用时间内进行电流采样,采样值波动性小。
实验结果表明该系统具有优良的性能。
Abstract:A fully dig italized A C speed regulation system based on space vector PWM control algorit hm is descr ibed in detail.T he control structure composed by double80C196K C chips is adopted.T he par allel commu-nicatio n can be fulfilled with the dua-l po rt-RAM.F uthermore,a new method for testing the stator current based on space vector PWM algor ithm i s proposed.T he good performance of the system is verified by ex per-i mental r esults.叙词:调速系统 脉宽调制 数字化/空间矢量Keywords:speed regulation system;PWM;digitalization/space vector1 引 言近年来,采用PWM技术的交流变频调速系统逐渐应用于工业领域中[1]。
就PWM而言,本质在于优化开关函数,使得逆变器按一定规律输出电压或电流。
德国学者H.W.Vander Broek等提出的基于电压空间矢量控制,不仅使得电机转矩脉动降低、电流波形畸变减小,而且与常规SPWM技术相比直流电压利用率亦有很大提高[3]。
由于交流电机本身具有非线性和强耦合性,故其控制方式复杂,用常规的模拟和数字电路难以完成复杂的控制功能,而且系统实时性的要求往往使得用一个单片机很难达到较好的控制效果[5]。
而采用双单片机控制结构,既兼顾了成本方面的要求,又得以实现如矢量控制一类复杂的控制方式[6、7、8]。
交流调速系统数字化控制的另一个关键是定子电流的有效、快速、可靠的检测。
通常的采样办法的最大缺点在于易受逆变器开关噪声的影响,这样采样值易受干扰而偏离原值,且波动性很大。
本文提出的基于电压空间矢量PWM算法的双80C196KC单片机控制的交流调速系统,双机之间的通讯由双口RAM芯片IDT7130硬件实现,既加快了数据传送率,又提高了系统的可靠性。
另外,文中介绍的基于电压空间矢量PWM算法的定子电流检测方式可在逆变器零开关矢量作用时间内完成定子电流的检测和采样,理论上避免了开关器件开通和关断引起的开关噪声,这样采样值波动性小,增加了系统动态响应性能。
2 电压空间矢量PWM算法图1所示主电路中,忽略电机定子绕组电阻R s,当定子绕组施加三相理想正弦电压时,由于电压合成空间矢量为等幅旋转矢量,故气隙磁通以恒定角速度旋转,轨迹为园形。
实际运行中,逆变器只有六个有效开关矢量V 1~V 6和两个零开关矢量V和V7,其输出电压只可能有八种状态,因此,只能用V0~V7八个矢量的线性组合去近似模拟等幅旋转矢量,这时实际的电机气隙磁通轨迹近似圆形。
由文献[2、3、4]可知,逆变器输出参考电压合成空间矢量落在第I扇区时,有效开关矢量工/3- )/2sin /2(1)式中 m 调制系数[0, /3]可以证明,零矢量的作用时间处理方式不同会造成逆变器输出电压的三相相电压瞬时值有所不同。
而对合成矢量相同的三相电压,其相电压瞬时值虽可能有所不同,但其输出的线电压瞬时值却必定相同。
t0=t7=(T s/2-t1-t2)/2(2)时,直流利用率可大大提高[4]。
由式(1)、(2)计算出t0、t1、t2和t7,就可利用80C196KC的H SO通道发出PWM脉冲。
图1 电压空间矢量PWM算法(a)主电路原理 (b)电压空间矢量合成(c)在开关周期T s内的PW M脉冲波形3 控制系统硬件控制系统硬件框图见图2所示。
控制系统的核心是双单片机结构,外部时钟频率为16MHz。
系统主要部分的功能简介如下:(1)1#80C196KC单片机子系统除执行蓄电池电压检测、交流电机转速检测、定子电流检测、键盘操作及LED显示(包括工作状态、电压量、电流量和转速量的显示),与上位机进行串行通讯(RS-422)等功能之外,其主要功能是借助检测到的转速指令、转速反馈、定子电流等参数,应用相应的控制规律如转差频率控制、矢量控制,计算出定子频率以及逆变器输出参考电压矢量幅值和相角,然后通过双口RAM IDT7130,将检测量和计算量送入2#80C196KC单片机。
图2 双80C196K C单片机控制系统原理框图(2)2#80C196KC单片机子系统执行的功能有:从双口RAM获取信息,完成电压空间矢量PWM算法,H SO定时发脉冲,死区补偿以及系统保护(包括电机过载保护、过热保护),将系统运行信息通过双口RAM回馈到1#80C196KC。
(3)双口RAM IDT7130是一种高速1K 8双口静态RAM且带片内总线仲裁电路,适用于双机间大量数据的快速双向传送。
IDT7130提供了左右两端各自的控制、地址,同时提供了BU SY和INT两种总线仲裁方式。
由于整个电路集成在一个芯片中,因此特别有利于控制系统的简化。
由于MCS98/96系列芯片均有Ready管脚,将它与IDT7130的BU SY引脚相连,可以达到延时的效果。
IDT7130芯片内部的集成竞争逻辑电路可以在左右两个CPU访问端口同时进行地址访问或片选匹配时,将两端口中访问慢的一方BU SY引脚电平下拉,这样BU SY线下拉一方的写入操作无效,一旦BUSY线恢复上拉电平状态,访问慢的一方即可继续访问双口RAM。
总线竞争的规则基于访问信号先到者优先的原则。
一旦存在几乎同时访问双口RAM(两者信号最小相差5ns)时,总线仲裁的具体方式为: 左右两端口的地址信号同时到达,则将CE片选信号后到的一方BUSY线下拉; 左右两端口的片选信号同时到达,则将地址访问信号后到的一方BUSY线下拉。
只有快的一方访问双口RAM完毕后,慢的一方才能获得继续访问的权利。
4 定子电流检测由前面分析可知:零矢量作用时,气隙磁通停留在原地不动;当有效矢量作用时,气隙磁通沿着逼近圆的轨迹前进。
因此,在零开关矢量作用时间内进行定子电流采样检测有以下三个优点:(1)电压空间矢量PWM 算法中脉冲发出的起终时刻均是零矢量作用时刻,故其具有信号同步功能。
在稳态情况下,若电机定子电压与电流之间的相位关系基本不变,则在零开关矢量作用时刻采样定子电流波形亦是同步的。
(2)在零开关矢量作用时间内,逆变器无开关作用,因而开关噪声对电流采样的影响大大减小了。
(3)如果在零开关矢量作用时间的中间点进行检测,原理上可以认为该点就是该相实际电流值。
利用2#80C196KC 的H SO 通道发出的脉冲得到零开关矢量作用信号,将它送入1#80C196KC 的EXTINT 触发外中断,进入外中断的服务子程序。
该子程序的功能是采样定子电流并进行预处理。
图3 定子电流检测电路框图在图3所示的定子电流检测电路中,电流霍尔检测到的电机定子电流信号i a 、i b 经放大后分别送入A/D 转换电路中,A/D 转换芯片采用带跟踪/保持电路、具有串行输出功能的M AX176。
MAX176在启动信号START 和时钟信号CLK 的作用下,将i a 、i b 采样变换成12位数字输出代码脉冲,经光电耦合器隔离后送入串/并转换电路中,变换成并行数据,然后送入1#80C196KC 的外部总线上。
1#80C196KC 输出内部时钟信号(8Hz),经过时钟分频电路得到A/D 转换所需的启动信号START 和时钟信号CLK 。
当1#80C196KC 的EXT INT 外中断触发后进入中断服务子程序,就可将总线上的数据采进CPU 中。
5 实验结果本文研制的全数字化交流调速系统采用80C 196KC 控制,逆变器功率开关器件采用IGBT (400A/600V ),直流侧电源为船用蓄电池(175V ~250V )。
电机参数为:电机型号JPT -13-4-H 、P e =15kW 、U e =110V 、I e =140V 、f e =50Hz 、n e =1450r/min 。
实验结果如图4、5所示。
图4 定子频率f =2.5Hz,载波比为96时的实验波形(a)定子电流i a 的波形(b)上:A 相上管PWM 脉冲驱动波形下:零开关矢量作用信号脉冲波形图5 定子频率f =50Hz,载波比为48时的实验波形(a)定子电流i a 的波形(b)上:A 相上管PWM 脉冲驱动波形下:零开关矢量作用信号脉冲波形6 结 论由以上分析和实验结果表明:(1)用两个80C196KC 单片机加上双口RAM IDT 7130构成的控制系统适用于交流电机的全数字化控制,同时亦可作为多种调速方案的试验平台,为通用变频器的实用化打下了基础。
(2)双口RAM IDT 7130的使用基本上解决了双机间数据的大量快速双向传送,且可靠性高,占用PCB 板面积小,具有很好的性能价格比。
(3)基于电压空间矢量PWM算法控制的变频调速逆变器具有较高的直流电压利用率,且适合于数字实现。
(4)基于电压空间矢量PWM算法的定子电流检测方法适用于全数字化交流调速系统,采样数据波动性小,增强了系统动态响应性能。
参 考 文 献1 陈 坚.交流电机数学模型及调速系统.北京:国防工业出版社,1989.2 Yoshihiro Hur oi,Y uzuru T zunchiro.感应电动机传动用逆变器的PWM改进方式.国际电力电子学会会议论文集,北京:机械工业出版社,1987:311~3213 H.W.Vander Broeck,H.C.Skudely and G.V.Stranke.Analysis and Realization o f a Pulsew idth M odula-tor Based on Voltag e Space V ectors.IEEE T rans.on IA, 1988,24(1):142~1504 康 勇.高频大功率SPWM逆变电源的研究[博士论文].华中理工大学,武汉,1994.5 张 宇等.利用空间矢量法实现交流电机的数字化变频调速系统.CAV D 95,1995:189~1956 冯江华.通用变频器的双单片机的控制系统. CA VD 95,1995:315~3227 钟彦儒等.一种双微机矢量控制系统的实现. CA VD 95,1995:216~2218 刘立志等.80C196-8098双单片机控制的全数字化矢量控制交流调速系统.CAV D 95,1995:243~ 249收稿日期:1996-09-18作者简介詹长江:男,1970年10月生,博士生。