采用SVPWM的单相电机变频调速系统的设计-中国电气传动

1采用SVPWM的单相电机变频调速系统的设计李学华王毓顺张陶青岛大学摘要：在分析了单相电机的优缺点的基础上，结合dsPIC单片机优良的控制性能，采用目前比较流行的SVPWM控制方法，利用三相逆变电路来控制单相电机，实现了电机的变频调速.通过实验证明采用这种SVPWM方法可以达到理想效果。关键词：SVPWM单相电机dsPIC单片DesignofVVVFforSinglePhaseMotorAdoptingSVPWMLiXuehuaWangYushunZhangTaoAbstract:Thisarticleanalysestheadvantageanddisadvantageofsinglephasemotorfirst,andachievesVVVFofmotorcombiningtheexcellentperformanceofdsPIC,adoptingSVPWMandusingthreephasescircuitofinverter.Itcanachieveperfecteffectonexperiment,utilizingSVPWMtocontroltorque.Keywords:SVPWMsinglephasemotordsPICsinglechip*21引言单相交流异步电机具有结构简单，制造成本较低等优点，以及单相电在诸多领域尤其家用电器中的广泛应用,使得它在工业控制特别是家用电器行业中的应用越来越广泛。对于通过调节端电压和改变极对数的传统调速方法.调速效果远远不能满足生产和生活需要。由于变频调速技术在异步感应电机调速系统中以其优异的调速和启动性能、高功率因数和节电效果,使其在电机控制中应用越来越广泛。不过目前变频调速的研究主要集中在三相电机上，对单相电机的研究重视不够，使得它与三相电机控制技术相比还不成熟。针对这一现象本文采用电压空间矢量脉宽调制技术实现单相电机的变频调速，通过实验验证了该控制系统具有调速范围宽，平滑性好，同时也具有优良的动静态特性等优点。*青岛爱默生电机公司资助项目2SVPWM(电压空间矢量脉宽调制技术)原理电压空间矢量PWM(SVPWM)实际是磁通PWM，其特点是从电机角度出发，着眼于通过控制电机端电压，使电机获得幅值恒定的空间旋转磁场。它把逆变器和电机视为一体，以跟踪圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的输出电压波形.在单相电机全桥逆变电路中，功率器件的每一种通电模式，都能在电机中生成一支空间电压矢量。如图1所示。图1两相三桥臂主电路结构图对于两相三桥臂逆变电路，根据同一桥臂上下开关互补导通的原则，3个桥臂共产生8种开关组合模式，可以在电机绕组上得到8支空间电压矢量，它们以V(A，N，B)来表示。其中A=1时，表示A1导通，A2关断；A=0时，表示A1关断，A2导通，其余类推。8支矢量如表1所示。表1空间电压矢量关系组合V非零矢量零矢量无用A100101103N00110101B01100100忽略绕组电阻压降时，非零电压矢量的幅值为|V(1,0,0)|=V(0,0,1)|=|V(0,1,1)|=|V(1,1,0)=Ud(1)|V(1,0,0)|=|V(0,1,0)|=Ud(2)图2两相三桥臂电压矢量定义8支矢量中，两个零矢量位于坐标原点，其余6支根据绕组轴线以图2所示方式分布。电压空间矢量都可以由与之相邻的两个基本矢量和零矢量组合而成。矢量V(1,0,1)和V(0,1,0)在矢量合成时可有可无。为了计算的方便，只使用4只位于坐标轴上矢量和两只零矢量来合成电压空间矢量。Uat=V1t1+V2t2+V0t0(3)TatdaUUcos||1(4)TatdaUUsin||2(5)t0=T-t1-t2(6)通过控制电压矢量的作用时间，便可以形成多边形的电压矢量轨迹，从而获得更加接近圆形的旋转磁通。各电压矢量的作用次序要遵守以下的原则:任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂的开关动作，即在二进制矢量中每次只有一位变化。43系统组成及实现3.1硬件设计硬件设计包括主电路和控制电路，主电路采用现在流行的交直交变频方式，逆变器采用IR公司生产的IRAMS10UP60U智能模块电路。控制芯片采用MICROCHIP公司的16位单片机dsPIC30F4011，它内部嵌入了一个16位CPU和一个高速DSP引擎，从而把单片机的控制能力和DSP的数字运算能力有效的结合起来，是性价比较高的一种选择。它具有5个16位定时器，4个输入通道捕获口，4个输出比较/标准PWM通道，6个电机控制PWM通道，每路PWM输出引脚驱动电流为25mA，为防止同一桥臂2个功率管发生直通造成短路，该发生器还通过编程设置死区互锁时间，是个电机控制的专用芯片。由它来完成电流电压的采集和处理，以及故障的检测和显示，实时计算输出PWM波等操作。整个系统的框架如图3所示。图3系统框图3.1.1主电路设计单相电机不同于三相电机，它的定子绕组是不对称的，传统的电容运行电机只适用于某一个频率点上，不适合变频调速，电容启动容易产生转矩脉振，所以本课题采用了三相电路拓扑来控制单相电机，取得了良好的控制效果，主电路如图4所示。图4主电路图5为使单相电机产生旋转磁场需要通过软件编程的方法使两组开关管的通断互差90°(电角度)。为了防止上下桥臂直通造成短路，需要设置死区时间，注意这个时间既不要设置的太短，失去保护功能，也不要设置的太长，造成波形失真。这里根据载波频率16kHz，死区时间设置为2μm左右最好。必要的时候可以进行死区时间补偿。定子电流通过电流霍尔传感器转化成电压信号后送入比较器，与事先设定的最大电流参考值进行比较，如果超过此值就认为过流，触发FLTA端口，并封锁RE端口的PWM信号保护智能模块。为了使转速的检测更准确，需要对连续的三个检测值取平均值后再输入到单片机RD0中，作为实际转速。电机是否停止的判断可以通过IC2口的捕捉功能来实现，先设定一个时间，当超过这个时间捕捉口还没有检测到来自测速发电机的下一个脉冲时就认为电机停转。3.1.2控制电路设计电机的参考速度通过外部电位器的调节得到，它与实际转速的差值经过PI调节器后转化为参考电压，这里需要加个限幅环节是为了防止加到定子上的电压过大而导致对电机的损害。同时通过霍尔器件测得定子电流，送入转子区间计算环节得到磁链的相位和周期，然后把电压、相位和周期三个量送入PWM发生器，得到六路PWM开关信号来控制六只IGBT的通断顺序及时间，从而改变加到定子上的电压。整个控制系统设计如图5所示。图5SVPWM控制系统图对于单相电机低速运行时出现的转速不稳定、输出转矩较小的难题，可以采用定子电压6补偿来解决，它有多种实现方法，这里可以通过设置多条V/f曲线，根据具体情况实时选择合适的曲线来实现补偿。3.2软件设计整个系统软件由主程序、中断服务子程序、显示子程序、A/D采样中断子程序等组成。主程序完成系统的初始化，并循环等待中断的到来。PWM中断子程序采集电流和转速计算得到占空比可调的控制信号。故障中断子程序中视故障性质完成自处理或故障报警，封锁触发脉冲。串行通讯中断可以采集当前转速等信息并把其送入LED显示.下面是其中最核心的两个单元。主程序如图6所示。图6主程序框图PWM中断子程序如图7所示。7图7PWM中断程序整个编程调试过程是在Microchip公司开发的MPLAB中进行的，可以使用C语言进行开发。下面是主程序部分代码：intmain(void){ClrWdt();//关看门狗InitTMR1();//初始化定时器1InitTMR3();//初始化定时器2InitICandCN();//初始化霍尔传感器接口InitMCPWM();//初始化PWM模块for(;;){if((SWITCH_S2)&&(!Flags.MotorRunning)){while(SWITCH_S2);RunMotor();}//如果电机静止并按下S2则启动电机elseif((SWITCH_S2)&&(Flags.MotorRunning)){while(SWITCH_S2);StopMotor();//如果电机正运转并按下S2则停止电机8}}return0;4实验结果本课题选用的单相电机参数如下：额定电压AC150V,额定电流3A，额定功率450W，极数6p。本实验使用16kHz载波，通过调节电位器可以在5～200Hz内实现良好的调速，通过实验得到定子两相电压为60V，频率为35Hz，二者相位上差90°，如图8所示。通过实验可以看到定子电压波形非常接近正弦波，转矩脉动比较小，可以实现在5～300Hz之间的调速。因而应用dsPIC的电压空间矢量控制系统非常适合单相电机的变频调速。图8两相定子波形图参考文献1EmekaS.Obe,TomonobuSenjyuAnalysisofSteady-StateComponentsinaBalancedSingle-phaseSynch-ronousReluctanceMotorwithaRunningCapacitor.ElectricPowerSystemsResearch，20062NabilA.Ahmed,KenjiAmei,MasaakiSakui.ACChopperVoltageControlled-fedSingle-phaseInductionMotorEmployingSymmetricalPWMControlTechniqueElectricPowerSystemsResearch2000ConversionandManagement，20063NabilA.Ahmed.Three–phaseInductionMotorOperatingfromSingle-phaseSupplywithanElectronicallyControlledcapacitor.ElectricPowerSystemsResearch20054李永乐.交流电机数字控制系统[M].机械工业出版社,200295吴永深.基于DSP的SVPWM电机变频控制研究.电子测量技术，20076Microchip公司的应用笔记：DrivingaBLDCwithSinusoidalVoltagesUsingdsPIC30F