基于對稱規(guī)則采樣法SPWM波的三相電機調速系統(tǒng)分析

鄭 楊

鹽城供電公司

基于對稱規(guī)則采樣法SPWM波的三相電機調速系統(tǒng)分析

鄭 楊

鹽城供電公司

對稱規(guī)則采樣法產生SPWM具有精度高、計算簡單等特點。文章首先介紹了對稱規(guī)則采樣法的原理，著重研究了采用對稱規(guī)則采樣法生成SPWM波的電機調速系統(tǒng)，并進行了仿真驗證，基于TI公司的DSP芯片MS320F2812進行了實驗驗證。

SPWM波；對稱規(guī)則采樣法；電機調速系統(tǒng)

1.前言

PWM控制技術在逆變電路中的應用是最為廣泛的，對逆變電路的影響也是最為深刻的。SPWM(Sinusoidal PWM)法就是其中一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM方法，被廣泛用于電機控制等實際應用中，能有效抑制或消除低次諧波，使輸出電壓波形近似為正弦波，減少轉矩脈動，擴展系統(tǒng)調速范圍。

2. SPWM對稱規(guī)則采樣法原理

脈寬調制技術(PWM)是目前應用最為廣泛的開關調制策略。其中正弦脈寬技術(SPWM)以其優(yōu)良的傳輸特性成為調制策略中的基本方式，SPWM技術抑制諧波效果與載波頻率有關，載波頻率越高，諧波成分越少。SPWM是在PWM的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經過適當的濾波可以做到正弦波輸出。

一般SPWM波形的產生方法有如下幾種：自然采樣法、規(guī)則采樣法、等效面積法、低次諧波消去法等。按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法，但這種方法要求解復雜的超越方程，因此在工程上實際應用不多。目前應用較廣的方法為對稱規(guī)則使用法。

對稱規(guī)則采樣法是從自然采樣法演變而來的，它由經過采樣的正弦波與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點或底點位置對正弦波采樣而形成階梯波。對稱規(guī)則采樣法原理圖如圖1所示。

在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣而得到D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A點和B點在A點時刻tA和B點時刻tB控制功率開關器件的通斷[1]?？梢钥闯觯眠@種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度δ和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。

3.采用對稱規(guī)則法生成SPWM波的電機調速系統(tǒng)仿真

根據電機調速理論對簡單電機調速系統(tǒng)進行建模[2]，并仿真控制一臺額定電壓220V，額定轉速1500r/min的三相異步電機，電流仿真仿真結果可以看出在電機中流過的相電流則基本為正弦波。仿真結果驗證了SPWM對稱規(guī)則采樣法在調速系統(tǒng)中應用的正確性。

4.基于DSP TMS320F2812的電機調速系統(tǒng)實驗

實驗電路主要包括主電路和控制電路兩部分。其中主電路包括三相交流電源、不控整流電路、逆變器、均流電抗器、永磁同步電機和電機負載；控制電路包括上位機、DSP控制電路、驅動電路、采樣調理電路和保護電路。從電源處取得三相工頻380V交流電，經過三相調壓器后得到可調節(jié)幅值的三相工頻交流電。不控整流電路選擇不控整流模塊MDS60作為功率變換器件，只需輸入三相交流電就可以獲得直流電，經大濾波電容濾波后供后級電路使用，調節(jié)交流輸入幅值即可調節(jié)直流電壓幅值。經過不控整流電流得到穩(wěn)定的直流母線電壓，之后通過三相逆變器把直流電逆變?yōu)轭l率可變的三相交流電以驅動異步電機。

本文的控制算法較為復雜，對微處理器的運算要求高，因此需要選用具有較高工作頻率且具有豐富外設的控制芯片。本實驗選擇了TI公司生產系列DSP芯片MS320F2812具有兩個獨立的事件管理器(EVA和EVB)，可以為功率開關器件提供PWM脈沖信號。通過配置事件管理器內相關寄存器可以得到6路占空比可調的PWM信號，實現SVPWM輸出；配置捕獲單元(CAP/QEP)相關寄存器可以對光電編碼器信號計數，從而得到電機的轉速信號及轉子的準確位置信號；配置A/D模數轉換電路相關寄存器，可以實現對電流電壓等電氣數字量的采樣。配置GPIO相應的寄存器可以實時輸出程序的數字運算結果，以便對各個物理量或者狀態(tài)進行監(jiān)測。為方便進行控制系統(tǒng)調試或者配合控制，通過配置通信接口SCI可以實現與上位機或者下位機的通信。

圖1 規(guī)則采樣法說明圖

在TMS320F2812中，有三個全比較單元， 1個計數寄存器和三個比較寄存器，3個比較寄存器分別為CMPR1、CMPR2、CMPR3，生成6路PWM信號。芯片內計數器采用連續(xù)遞增遞減模式計數，當計數器在0到計數周期這段增計數周期內，計數器的值與比較寄存器的值相等時，輸出電平發(fā)生一次跳變；在計數器達到計數周期時，計數器將開始減計數，當計數器再次與比較寄存器相等時，輸出電平再次跳變。所以需要將計算出的值分別付給CMPR1、CMPR2、CMPR3。通過不斷改變比較寄存器的值，就可以得到不同占空比的PWM信號來控制IGBT的導通與關斷，從而實現對電機的矢量控制。

[1]王兆安， 黃俊. 電力電子基礎[M].北京： 機械工業(yè)出版社， 2000.

[2]袁濤， 鄭建勇， 曾偉等. IPM智能功率模塊電路設計及其在有源濾波器裝置中應用[J]. 電力自動化設備， 2007， 27(5)： 88-90.