摘 要 介绍了电压空间矢量脉宽调制SVPWM控制的原理及采用复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)+单片机(SCM)结构实现交流异步电机SVPWM变频调速控制的软硬件实现,实验证明,该系统具有速度快、精度高、可靠性高、实时性强等优点。关键词 复杂可编程逻辑器件;单片机;电压空间矢量脉宽调制;变频调速1. 引言近年来,交流变频调速在工业领域中得到了广泛应用, 而且随着工业技术的发展, 对交流变频调速系统的性能要求日益提高。为了提高交流调速系统自身的性能,就需要对交流调速系统实现全数字化控制。随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的发展,变频调速控制的研究重点转移到以MCU、DSP、ASIC为主的数字控制方案。目前,SVPWM变频调速控制电路大多采用单芯片控制,需要通过计算脉宽来进行脉宽控制,这样不仅引入了计算误差,同时使算法变得复杂,降低了系统的速度和精度。为此,本文提出采用“CPLD+SCM”双芯片结构实现,采用这种控制电路结构不再需要进行脉宽计算,明显减少了计算误差,简化了算法。该系统综合了单纯采用微处理器控制和单纯采用CPLD控制的优点,是一种高性能的控制系统。2. SVPWM变频调速控制的原理目前,对于电机变频控制来说,较常见的是脉宽调制法。使用最多的是正弦脉宽调制(SPWM)法,该方法使得流入电动机的电流谐波较少,电机振动小,控制性能较好,其相应的硬件和软件技术较成熟。另一种方法是空间矢量(SVPWM)法也称为磁链追踪型PWM法或磁通正弦PWM法,它与SPWM法不同,SPWM是从电源的角度出发,其着眼点在于如何生成可以调频调压的三相对称正弦波电源。而磁链追踪型PWM法从电动机的角度出发的,着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。空间矢量法是一种无反馈型工作模式,它是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准,用逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆,由追踪的结果决定变频器的开关模式,形成PWM波。空间矢量法是目前国际上比较先进的变频调速控制模式,由于其供给电动机的是理想磁链圆,因此,电动机工作比其它方式更平稳,噪音更低,同时也提高了电动机的工作效率,提高了电源电压的利用效率。常规的SVPWM实现方法虽然比较直观,但实现时需要预先计算各矢量的作用时间并进行存储,且存在大量的非线性运算,影响SVPWM的执行速度。假设可以像SPWM调制那样直接查表的话,执行起来就方便多了,于是,从SVPWM的生成方式出发,经过推导得出相电压在6个区域的表达式如(1.1)式所示,这样一来,空间矢量控制也可以用类似SPWM调制的方式来实现了。 (1.1)相应 的波形如图1示。
图1 空间矢量脉宽调制逆变器输出相电压波形3. 控制系统硬件设计3.1 主电路的选择在主电路的选择上,选用电压型交-直-交变压变频电路,电路原理框图如图2所示。 图2 交-直-交变压变频原理框图系统的输入为电网单相交流电,经过全波不可控整流后变为脉动的直流电,脉动的直流电经电容平滑滤波后经过逆变环节将其逆变为电压和频率可调的三相交流电,输出到需要进行变频调速的交流异步电动机上。文中逆变器件选择智能功率模块(IPM)。IPM将输出功率器件和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内,与普通IGBT相比,在系统性能和可靠性上均有进一步提高,IPM的售价已逐渐接近IGBT,而设计人员采用IPM后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素后在许多场合其性价比已高过IGBT,因此IPM是一种更为经济适用的集成型功率器件。在一些外围电路的设计上,主要是电源模块的设计,以TOP Switch芯片为核心实现。3.2 控制方案的确定控制系统的性能取决于其运算速度和控制精度,这在某种程度上依赖于实现该系统的电子芯片。目前,变频调速控制一般是利用CPU 加片内外设的专用微处理器(如Intel 公司的8x196MC、TI公司的TMS320F240)或者即插即用型的专用芯片(如MITEL SA866AE)实现,前者由于微处理器大量占用CPU ,而且受时钟限制,很难实现高精度算法,且管脚I/ O口有限。后者虽然控制方法简单, 但无法实现闭环控制。用CPLD来实现,从设计、仿真、验证乃至利用在系统编程
[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />ISP(In-System-Programming)对硬件调试都非常方便,从而大大缩短系统的开发周期。具有集成度高、速度快、精度高以及易于和高速度的处理器连接等优点,且I/ O口较多,可以根据用户需求进行设定,故用CPLD实现电机控制有很大的发展前途。
[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />
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