基于DSP的交流变频调速系统设计(图文)
hwsb6912
hwsb6912 Lv.7
2015年09月08日 15:16:00
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采用SPWM(正弦脉宽调制)技术。利用DSP(数字信号处理器)进行控制。由它们的交点确立逆变器的开关模式。关键词:交流交频调速,SPWM,DSP,逆变器  随着节能环保概念逐渐推广,越来越多的工业控制领域正想方设法降低能耗,电机变频调速就是一种很好的节能方式,已逐步应用到家电、工控等领域。目前变频调速多数采样专用模块来实现,成本较高。因此,本文设计了一种成本相对较低的交流变频调速系统,采用SPWM(正弦脉宽调制)技术,利用DSP(数字信号处理器)进行控制,取得了很好控制效果。论文参考网。

采用SPWM(正弦脉宽调制)技术。利用DSP(数字信号处理器)进行控制。由它们的交点确立逆变器的开关模式。
关键词:交流交频调速,SPWM,DSP,逆变器

  随着节能环保概念逐渐推广,越来越多的工业控制领域正想方设法降低能耗,电机变频调速就是一种很好的节能方式,已逐步应用到家电、工控等领域。目前变频调速多数采样专用模块来实现,成本较高。因此,本文设计了一种成本相对较低的交流变频调速系统,采用SPWM(正弦脉宽调制)技术,利用DSP(数字信号处理器)进行控制,取得了很好控制效果。论文参考网。
  1、SPWM产生方法
  SPWM的产生是以一个正弦波作为基准波(调制波),用一列等幅的三角波(即载波)与基准正弦波相交,由它们的交点确立逆变器的开关模式,当基准正弦波高于三角波时使开关器件导通,而当基准正弦波低于三角波时,使开关器件截止,从而使逆变器输出一系列脉冲波,如图一所示。
   201104161923078674.gif
  图一 SPWM波形产生示意图
  SPWM的形成通过采样获得,采样可分为规则采样(只在三角波顶点采样)和不规则采样(在三角波顶部和底部同时采样)[1]。论文参考网。由于不规则采样所形成的阶梯波比规则采样更接近于正弦波,因此这里采用此法。设三相交流电U,V,W,其电压波形相差120o,设采样点数为K,K=0,1,2,……2N-1,载波比(即正弦波周期与三角波周期之比)为N,则当K为偶数时,U相对应开关器件关闭和导通时间分别为
  toff=Ts/2〔1-Msin(R180o/N)〕
  ton=Ts/2〔1+Msin(R180o/N)〕
  对于V相,有
  toff=Ts/2〔1-Msin(R-2/3N)180o/N〕
  ton=Ts/2〔1+-Msin(R-2/3N)180o/N〕
  对于W相,有
  toff=Ts/2〔1-Msin(R+2/3N)180o/N〕
  toff=Ts/2〔1+Msin(R+2/3N)180o/N〕
  式中 M—调幅比,即正弦波幅与三角波幅值之比,0<M<1
  TS——采样周期,TS=Tt/2
  同理,当K为奇数时,相应可求得toff' ton'则ton+ton'即为开关器件导通时间,toff'+ toff''为关断时间。
  为改善PWM波形,使开关器件的开关频率限制在适当范围之内,因此在整个调节范围内,载波比N要有、若干不同的值,对三相交流电机而言,由于各相相位差为120o,故载波比N必须取3的倍数,而在一定的n值下,调幅比M与频率f也有确定的关系,而它们的关系与U-f曲线有关。当变频器工作时,U-f曲线应满足负载要求,为此调频的同时相应改变了M值,以改变脉冲宽度,从而改变输出电压。论文参考网。
  在确定了参数M、TS、N、K之后,各相在某点处的导通关断时间即可求出,若求出所有采样点的开通和关断时间,即可得出相应频率下的SPWM波形。
  2、系统硬件实现方法
  由于采用不规则采样法,这就要求主控芯片有较高的运算速度,这里我们选用TI公司的TMS320LF2407DSP作为主控芯片,它是TI公司2000系列DSP中较为优秀的一种芯片,执行速度达30MIPS,使得指令周期缩短到33ns(30MHz),从而提高控制器实时处理能力,此外其还具有两个事件管理模块,每个模块均含有8个16位的PWM通道,可以实现PWM的对称和非对称波形,可编程的PWM死区控制,尤其适合应用于电机控制。系统控制框图如图二所示。
   201104161923078675.gif 201104161923078676.gif
  图二系统框图
  2.1逆变器电路
  逆变器开关器件采用IGBT(绝缘栅型双极晶体管)。它综合BJT和MOSFET的特点,使得开关速度高达20KHz,这样既减少了噪声污染,提高效率,又可使驱动电路变得简单,(因其为压控器件),而且它耐压高、容量大,尤其适合在电机拖动场合的逆变器电路上应用。根据电机容量,我们选择SGL60N90IGBT作为开关器件,为保证可靠性,驱动电路采用IGBT专用模块M57962L(若要求不高,亦可选用IR2130作为驱动芯片),其本身带有高速光耦和短路保护及慢关断功能,可有效保护控制芯片和开关器件的安全。
  2.2控制电路
  控制电路主要由DSP芯片组成,频率给定由电位器输出,经U/F转换后送入DSP的AD采样端口,也可由键盘给定。SPWM波形由DSP的6个PWM通道输出,经缓冲隔离后SNG送到驱动电路,控制IGBT的交替导通。利用键盘设定加速、减速分步控制程序,使电机转速按照轧制工艺要求变化,从而满足不同要求。
  由于电动机的多变量、强耦合特性,使得DSP处于强干扰环境中,因此DSP的安全防护电路是整个系统稳定、可靠运行的关键,有必要采取多种保护措施来保证系统的安全。这里我们采取了过流、过压、短路等保护措施,各种保护信号采样采用霍尔传感器,不仅提高了动态响应特性,同时又实现了电气隔离。利用DSP的PDPINT和CAP引脚功能,在遇到异常情况时关断PWM,从而保证逆变器的安全。
  3、软件实现
  系统软件的主要功能是依据设定频率,计算出U、V、W三相的PWM输出脉冲宽度。其由三部分组成,即主程序、定时器周期中断子程序和保护中断子程序。主程序负责各种初始化工作,保护子程序完成故障监控和故障处理功能。程序主体是定时器周期中断子程序,负责完成SPWM的算法。
  4、结束语
  以上的设计经调试完成之后应用于某轧管机上,使轧管机工作实现了无级调速,操作人员能按工艺要求调节轧制速度,从而提高管材表面质量。由于变频器启动平稳,调节平滑,减少了对管材冲击,而且能耗比原来减少了15%左右,在实际生产中取得令人满意的效果。
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