基于DSP的矢量控制交流驱动系统设计及仿真论文

　　摘要：研究了一种高性能全数字交流感应电机矢量控制驱动系统。该系统以空间电压矢量控制技术为理论基础，采用IGBT功率模块作为开关元件，组成交直交电压型逆变器，采用80C196KC单片bLTMS320F240DSP的双CPU结构，DSP完成实时性要求高的矢量控制任务，16位单片机完成实时性要求比较低的管理任务，并给出了系统的硬件及软件设计。实验结果表明，系统易于实现，动态性能良好，软硬件结构紧凑，具有很好的开放性。
　　关键词：DSP；电压空间矢量控制；变频调速；80C196KC
　　PWM控制方式是交流变频调速控制的基本方法，其中空间电压矢量（SVf’WM）一被提出后就以其特有的优越性能，在电机调速方面得到广泛应用，该种方法控制简单，数字化实现方便，显著减小逆变器输出电流谐波成分及电机谐波损耗，降低脉动转矩，提高电压利用率。实验结果表明，系统易于实现，动态性能良好，软硬件结构紧凑，具有很好的开放性。
　　一、空间电压矢量控制策略嘲
　　空间电压矢量控制技术（SVPWM）是从电动机的角度出发，着眼于如何使电一理论和电机坐标轴系变换理论基础之上的，物理意义直观，数学模型简单，便于微机实时控制，电压空间矢量法与传统的SPWM法相比，不但可以减少转矩脉动和铁损耗，而且可以提高电源的利用率。
　　二、系统硬件构成
　　系统主电路采用功率开关IGBT构成电压型逆变器，控制电路采用全数字化设计，由数字信号处理器DSP（TMS320F240）、16位单片机80C196KC、高速高精度AD转换芯片及双口RAM（IDT7133）等作为控制电路主体，还有高灵敏度的检测电路和快速的保护电路等。
　　（一）主电路
　　主电路部分全部安装在散热器上，采用交。直。交电压型逆变器形式，由不可控整流桥、滤波电容、逆变器及泵升抑制电路等组成。主电路输入电压为380V，同时系统设计了软启动电路以减少强电对主回路的冲击：逆变器部分则实现直流电到变频变压（WVF）交流电的转换，为电动机的定子绕组提供要求的交流电流。在整个系统故障保护环节中，设置了主回路过压、欠压、过热、过载、制动异常、光电编码器反馈断线、通讯故障等保护，故障信号由软硬件配合检测，一旦出现保护信号，通过软件或硬件逻辑立刻封锁PWM驱动信号。系统采用磁平衡式霍尔电流传感器采样两相电流，利用采样的实时电流信息实现矢量控制和系统的过流保护。
　　（二）双CPU控制系统
　　双CPU控制系统由DSP子系统，单片机子系统，双口RAM等组成。为了实观系统的快速实时控制，系统在设计上采用了单片机DSP双CPU结构，DSP完成实时性要求高的矢量控制任务；FLASH结构的16位单片机80C196KC作为主机完成实时性要求比较低的管理任务，如控制参数设定、键盘处理、状态显示、串行通讯等，单片机和DSP之间的通讯采用静态双口RAM。
　　三、系统软件
　　全数字交流感应电动机驱动系统的核心控制程序包含单片机和DSP实时两部分控制程序。在PWM定时中断程序中实现电流环采样及控制、矢量控制、PWM信号生成，中断控制周期设定为100us，系统控制器的PWM开关周期设置为lOkHz，PWM死区时间为4ps，PMM信号采用空间矢量调制模式；功率驱动保护中断程序则检测智能功率模块的故障输出，当出现故障时，DSP的。PWM通道将被封锁，强制输出变成高阻态：系统软件由主程序和PMM定时中断服务子程序构成。主程序在完成系统初始化之后进入循环，等待中断的发生。检测电流、转速和发出6路PWM脉冲在DSP的定时器中断服务子程序中完成。
　　四、实验结果及结论
　　采用前面介绍的软硬件设计，完成了变频器的原理样机，输出频率087Hz，并在实际用牵引电机上进行了空载实验。牵引电机的基本数据如下：功率37KW，额定电压200V，额定电流183A，额定频率27Hz。
　　该系统以空间电压矢量控制技术为理论基础，采用IGBT功率模块作为开关元件，组成交直。交电压型逆变器，系统在设计上采用单片tfl，DSP双CPU结构，满足了交流牵引电机的调速控制要求。系统保护功能完善，具备常规的过载、过压、短路、缺相、过流等保护，还可以LED显示故障类型。实验表明，系统易于实现，动态性能良好，软硬件结构紧凑，方案合理，工作可靠，提高了工作效率。
　　参考文献：
　　〔1〕陈国呈。PWM变频调速技术〔M〕，北京：机械工业出版社，1998。
　　〔2〕吴守箴，臧英杰，电气传动的脉宽调制控制技术〔M〕，北京：机械工业出版社，1999。