目前，變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)過多年的研究已經(jīng)趨于成熟，尤其是普通的SPWM方案已經(jīng)普遍應(yīng)用于實(shí)際的變頻器中。其他控制方法如空間電壓矢量法、直接轉(zhuǎn)矩控制等策略的研究也已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。
引言
目前，變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)過多年的研究已經(jīng)趨于成熟，尤其是普通的SPWM方案已經(jīng)普遍應(yīng)用于實(shí)際的變頻器中。其他控制方法如空間電壓矢量法、直接轉(zhuǎn)矩控制等策略的研究也已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。空間電壓矢量PWM(SPACeVectorPWM，SVPWM)控制方法通過電壓矢量的控制優(yōu)化使磁通逼近基準(zhǔn)磁鏈圓，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，其控制效果等同于直接轉(zhuǎn)矩控制。從電機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電動(dòng)機(jī)作為一個(gè)整體來考慮。與傳統(tǒng)PWM相比，其電流畸變小、直流電壓利用率高，在傳動(dòng)系統(tǒng)和變頻電源裝置中有著廣泛應(yīng)用。
1、變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)由整流電路、濾波電路、智能功率模塊(IPM)、單片機(jī)(SPMC75F2313A)、光耦隔離電路、脈沖整形電路、過壓過流檢測電路及顯示電路等部分組成。整個(gè)系統(tǒng)由VB編寫的友好界面通過上位機(jī)進(jìn)行控制，可正反轉(zhuǎn)起停，還可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)速、測速，對電壓電流進(jìn)行監(jiān)測等功能。
1.1、SPMC75F2313A單片機(jī)
變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制內(nèi)核為凌陽的16位單片機(jī)SPMC75F2313A，適用于體積小、嵌入式的變頻系統(tǒng)。其內(nèi)部集成有專用于位置偵測的接口，以提高電機(jī)伺服系統(tǒng)的定位精度。其中，TCLKD和TCLKC引腳分別接光電編碼器的A、B相。
1.2、FSBB20CH60智能功率模塊
功率驅(qū)動(dòng)部分主要由IPM模塊和光耦隔離電路組成。IPM模塊選用美國仙童公司生產(chǎn)的FSBB20CH60，該模塊適用于三相DC/AC功率變換，內(nèi)部集成了過壓過流、欠壓欠流及熱保護(hù)等功能。光耦隔離由6路高速光耦6N137構(gòu)成，其作用是將單片機(jī)產(chǎn)生的SVPWM波與驅(qū)動(dòng)電路隔離，防止波形受到干擾從而影響輸出電壓波形。
1.3、脈沖整形電路
+5V(A)不同于+5V(B)，GND(A)也不同于GND(B)，二者不共地，其原因在于光耦6N137的兩側(cè)不能共地，否則達(dá)不到隔離的目的，還可抑制電源側(cè)對信號(hào)輸出側(cè)的電磁干擾，能夠得到更優(yōu)秀的A、B相波形。
由ST公司的運(yùn)放LM339組成的遲滯比較器，其主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)輸入信號(hào)受干擾或噪聲的影響而上下波動(dòng)時(shí)，適當(dāng)調(diào)整比較器的輸入電平差值即可避免比較器的輸出電壓因干擾或震動(dòng)而發(fā)生改變。輸出狀態(tài)一旦轉(zhuǎn)換后，只要在跳變電壓值附近的干擾不超過△U之值，輸出電壓的值就將是穩(wěn)定的;但隨之而來的是分辨率降低，因?yàn)閷t滯比較器來說，它不能分辨差別小于△U的兩個(gè)輸入電壓值。遲滯比較器加有正反饋可以加快比較器的響應(yīng)速度，還可避免由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩。
其中，在轉(zhuǎn)速不太低時(shí)，定子電阻壓降RsIs可忽略。Rs為定子電阻;us、Is、ψs分別為定子三相電壓、電流、磁鏈的合成空間矢量;φm是磁鏈的幅值，ω1為其旋轉(zhuǎn)角速度。電壓us也可表示為：
其中，uAO、uBO、uCO為A、B、C三相相對于原點(diǎn)O的電壓。
逆變的每相橋臂有兩種開關(guān)電平(+ud和-ud)，因此每周期逆變器共8種工作狀態(tài)。其中首尾兩種狀態(tài)是冗余的，狀態(tài)切換后分別形成6個(gè)空間電壓矢量和、磁鏈?zhǔn)噶浚鐖D5所示。如果想獲得更多或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，須在每個(gè)π/3時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)工作狀態(tài)，以形成更多相位不同的空間電壓矢量。如果每周期只切換6次，當(dāng)電壓為u1時(shí)，磁鏈增量為u1△t=△ψ1，磁鏈軌跡呈六邊形。不同空間電壓矢量在不同時(shí)間作用下的線性組合就可得到所需相位的磁鏈增量。增加開關(guān)切換次數(shù)可使磁鏈逼近圓形，如圖6中的磁鏈增量由△ψ11、△ψ12、△ψ13、△ψ14、△ψ15、△ψ16六段組成。△ψ11是u1和u6在不同作用時(shí)間下合成的，即其中，t1、t2為作用時(shí)間;T0為采樣周期。
2.2、SVPWM軟件實(shí)現(xiàn)
測速編碼器將測得脈沖經(jīng)整形電路后送入單片機(jī)，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，設(shè)置定時(shí)器，在每次速度采樣的時(shí)間內(nèi)計(jì)算轉(zhuǎn)角增量和空間電壓矢量的相角，進(jìn)行SVP-WM波的調(diào)制。此開放式教研系統(tǒng)還加入了二級(jí)控制系統(tǒng)，通過設(shè)置TwidoPLC參數(shù)可對各個(gè)系統(tǒng)分別控制，也可由上位機(jī)直接控制。
用Matlab仿真得出電機(jī)三相線電壓和轉(zhuǎn)速曲線圖。
從仿真結(jié)果可以看出，逆變器輸出的線電壓是按正弦規(guī)律變化的，轉(zhuǎn)速在啟動(dòng)后稍有波動(dòng)，之后一直處于穩(wěn)定的狀態(tài)，從而證明對SVPWM調(diào)制算法的分析是正確的。
結(jié)語
本文利用SPMC75F2313A和FSBB20CH60智能功率模塊構(gòu)成了變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要部件，采用優(yōu)秀的SVPWM調(diào)制技術(shù)，通過對空間電壓矢量的控制逼近磁鏈圓，使其輸出轉(zhuǎn)矩恒定，有效地降低了開關(guān)損耗和交流側(cè)的諧波畸變率，提高了直流側(cè)電壓利用率。目前，該調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)和研究。
