基于DSP和SVPWM应急通风逆变器研制1

基于DSP和SVPWM应急通风逆变器研制张辉，刘志刚，周鑫（北方交通大学电气工程学院，北京100044）摘要：文中叙述了三相逆变器空间电压矢量（SVPWM）控制的基本原理。介绍了TMS320F240用软件生成对称空间电压矢量的方法，特别是针对高精度V/F值控制的应急通风机对交流变频调速的要求，通过检测直流侧电压实现对输入电压波动的前馈补偿，以提高输出电压精度，改善输出电流波形。最后的实验结果验证了其可行性。关键词：空间矢量脉宽调制；逆变器；TMS320F240DevelopmentofemergencyventilationinverterisbasedonDSPandSVPWMZHANGHui，LIUZhi-gang（SchoolofElectricalEngineering，NorthernJiaotongUniversity，Beijing100044，China）Abstract：TheprincipleofSpaceVectorPulseWidthModulationcontrolofthreephaseinverterispresented.ThesymmetricspacevoltagevectorrealizedbyTMS320F240insoftwareisintroduced.Especially,aninverterdesignedforconstantV/Femergencyventilatorisperformed.Thedetectionofdc-linkvoltageisusedforcompensatinginputvoltage.Asaresulttheaccuracyofoutputvoltageisadvancedandthewaveofoutputcurrentisimproved.Theexperimentresultshowsthattheschemeisreliable.Keywords：SVPWM；inverter；TMS320F240一、引言在地铁车辆内设置一套合理的空调、采暖、通风系统是提高乘坐舒适性必不可少的。这套系统从空气的温度、湿度、洁净度以及气流速度等方面对室内空气品质进行控制，从而满足空气舒适性的要求。列车正常运行时，车厢内通风换气系统可满足以上要求；但当交流动力电源失效时，空调系统应自动转入应急通风，应急通风使用空调蒸发风机，由蓄电池提供110V电源通过逆变器给风机供电，向车内送入新风，以保障乘客的健康和安全。鉴于此，研究适合于空调风机使用的逆变电源是本文设计的重点。根据技术条件，在蓄电池组的电压波动-30%-+20%范围内，逆变电源必须为风机提供电压波动不超过±5%，频率在±1%范围内，并且总的谐波含量小于3%的三相交流电压，其额定输出容量5KVA（380V,50Hz），该逆变器需降压降频（V/F为常数）输出，输出电压268V，频率35Hz，转换效率大于90%，并且在-20-+55℃工作环境下均能可靠地运行。二、空间电压矢量PWM原理在电气传动中，三相逆变器PWM波形的发生一般采用SPWM法，但是常规SPWM算法直流电压的利用率比较低，逆变器输出线电压的最大幅值为0.866Ud。空间矢量PWM方法可以使逆变器输出线电压幅值较SPWM方式提高15%，输出线电压幅值最大可达Ud，且在同样的载波频率下，SVPWM方式逆变器开关次数减少，开关损耗降低[1]。应急通风逆变器的蓄电池供电电压波动范围很大，为了能够逆变出使空调风机运转良好的最佳电压，需要在直流端采用容量大的电容，成本比较高。所以我们必须最大限度的利用直流电压，减少硬件设备的投入，采用电压空间矢量PWM算法。空间电压矢量脉宽调制采用调制周期一定和对称变更脉宽的方法调节逆变器的输出电压和频率，典型的三相逆变器结构如图1所示。图1、三相逆变器结构图图1所示电路中，可通过三相桥式电路来按一定的规律控制三对桥臂开关管的通和断，同时可将直流侧电压VDC变换为三相正弦电压Va、Vb和Vc并输出。由于桥式电路的上下桥臂开关管的通断状态是互为反向的，因此，三相桥式电路各桥臂的通断状态只有8种。三相相电压Va、Vb和Vc与桥臂的通断状态的关系如下[2]：通过坐标变换，可将三相坐标系变为二相坐标系。由于逆变桥中，功率开关管的开关状态组合一共只有8个，则对应于开关变量矢量[abc]T在d-q坐标系中的Vds、Vqs也只有有限种组合，Vds、Vqs是空间矢量分解得到的子轴分量，它们的对应关系如表1所列。表1中Vds、Vqs被称为基本空间矢量的d-q轴分量，每个基本空间矢量与合适的功率开关管的开关命令信号组合（c、b、a）相对应，如表1最后一列所示。例如，当（c、b、a）=001时，表示此时的空间矢量为U0。被功率开关管的开关组合所决定的8个基本的空间矢量如图2所示。空间矢量PWM技术的目的是通过与基本的空间矢量对应的开关状态的组合得到一个给定的定子参考电压矢量V*，其对应关系如图2所示。要用基本空间矢量来表示参考电压矢量V*需要精确的控制矢量的幅度M（也即调制深度）和相角α（如图2）。这里参考矢量V*以给定的角速度ω绕d-q轴旋转，矢量幅度M即可控制逆变器的输出相电压的峰值[3]。要获得参考电压矢量V*，必须算得各基本参考矢量作用的时间。假定处于Ⅱ扇区中，由平均值等效原理可得：这里Uz为零矢量，dx、dy和dz分别表示每个PWM开关周期中Ux、Uy和Uz各自作用时间的占空比，并且有dx+dy+dz=1。图3中的矢量V*也可写成：这里M是调制深度，Vmax是所期望的相电压最大值。通过V*分解成Ux和Uy轴分量得：表1逆变器的8种开关状态图2、电压空间矢量图从表1不难看出，所有的基本空间矢量的幅值都为，如果它们相对于最大的相电压(最大的线电压为，则最大的相电压为)的标幺值，则空间矢量的幅值变成，即经过归一化后的空间矢量的幅值为，代入上式可得：因此我们给定调制深度M和通过查表的方式求得α就可算出dx和dy，从而可精确的控制参考电压矢量V*。三、系统控制原理及功能实现3．1逆变器系统的基本组成逆变器系统框图如图3所示。控制部分的核心采用性能优良的专门应用于电机控制的16位微处理机TMS320F240，其控制电源由以UC3843为控制芯片的开关电源提供。主电路由IPM逆变器、隔离升压变压器以及输出滤波电容组成，逆变器采用集驱动、检测和保护于一体的六单元智能功率模块（IPM）。IPM是先进的混合集成功率器件，由高速低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成。由于采用了能连续监测功率器件电流的IGBT芯片，从而实现高效的过流保护和短路保护。并且由于IPM集成了过热和欠压锁定保护电路，系统的可靠性得以进一步提高。该系统的主要工作原理是通过SVPWM控制方式将110V直流电逆变成脉宽调制电压波形，然后通过隔离升压变压器和滤波电容后生成286V、35Hz的三相交流电，并保证谐波含量3%、输出电压波动不超过±5%及频率在±1%范围内。从而驱动地铁车辆用应急通风机。图3、逆变器系统框图3．2逆变器直流侧输入电压波动的补偿在研制PWM逆变器谐波控制技术时，通常假设直流侧电压是固定不变的。但应急通风逆变器允许直流输入电压在77V-137V范围内变化，在逆变器直流侧加上LC滤波器可抑制这种波动。但实际直流侧电压仍随着负载及输出电流的变化而改变，因此为了保持输出基波电压为一预设值，必须加上一个电压调节电路或机制。为了保证在一定的输出频率范围内逆变器的输出电压与风机要求的V/F曲线保持一致，保证整机效率和风机的输出转矩。通过DSP实时检测直流侧电压Ud（为防止系统振荡，需进行软件滤波），从而在程序中，应用实际的电压调制比M来修正式（6）和式（7）中的dx和dy来实现对直流侧输入电压波动的前馈补偿。3．3基于DSP的SVPWM的实现方法TMS320F240是美国TI公司专为数字电机控制应用而推出的一种低价格、高性能的DSP内核和丰富的微控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案[4]。利用DSP实现SVPWM的关键是在每一个PWM周期里，解决Ux、Ux±60（x可以是0，60，120，180，240，300）O0、O111的开关次序问题。不同的开关模式将产生不同的波形模式。DSP有两种对称开关模式的实现方案，一种是非常容易由TMS320F240上通过软件编程确定开关次序的软件模式；另一种则是由TMS320F240上自带得SVPWM硬件模块实现的。对于由硬件模块实现SVPWM的方案，在整个周期中，总有一个桥臂开关状态保持不变。这样在逆变器的线电压输出上会产生一定的谐波，不符合本文设计的要点。因此，我们选用由软件实现SVPWM的控制方式。下面着重介绍这种方案：该方案的开关顺序可表示为U0、Ux、Ux±60、U7、Ux±60、Ux、U0（这里的x可以为0，120。240），以V*在Ⅱ扇区内（参考图2）为例，其开关顺序见图4。图4、软件方案在II扇区内的开头顺序图4中，Tz是零矢量作用的时间，且Tz=dz·T（T为PWM开关周期）；Tx是Ux矢量作用的时间，且Tx=dx·T；Ty是Uy矢量作用的时间，且Ty=dy·T。该方案的基本特征为：①除占空比0和100%外，在每个PWM周期里，每个PWM通道开关两。②每个扇区的开关顺序固定。③每个PWM周期均以O111开始和结束。④每个PWM周期中插入的O111和O000数目相等。软件实现中，以Vds、Vqs作为输入，直流母线电压VDC为参数，输出为三相对称PWM模式。程序编写包括主程序和一个定时器周期寄存器中断子程序。主程序包括：①为对称PWM配置定时器和比较单元。②直流电压检测，输入电压大于77V系统开始工作。③根据风机控制策略计算出所需要的频率，等待中断的产生。定时器中断子程序的任务则为：根据式（6）和式（7）的计算公式，查表正弦求得α的大小（每个PWM周期都在变化），并设定我们所要求的逆变器输出电压峰值来确定调制深度M，从而由dx和dy的值来确定参考电压矢量V*。在此子程序中还会调用其他子程序，比如正弦查表线性插值子程序，电机低速电压补偿子程序（保证启动过程中V/F等于常数），系统检测保护子程序。其中系统检测保护子程序主要是检测逆变器的各种状态：直流电压、直流电流、逆变器的散热器温度以及控制电源电压。当系统出现异常状态（过压、欠压、过流、过热以及控制电源电压异常）是系统封锁PWM脉冲，同时系统重复进行自检，确定有异常情况发生，系统停止工作。四、试验与结论4．1实验波形及分析对该应急通风逆变器进行实验考核。其实验条件为：①环境温度+27℃。②输入直流电压范围为77V-137V。③逆变器输出接两个额定功率为2.2KW的三相异步电动机（带直流发电机），其电机参数为：PN=2.2KW；UN=220V；fN=50Hz；nN=1420r/min。其试验波形如图5所示（其输出正弦波形是经过电容滤波后所得）。(a)直流137V时输出电压波形（b）直流99V时输出电压波形图5输出电压波形和其频谱曲线从图5（a）和（b）可以看出，直流输入电压变化时，系统始终能保持恒压输出。对图5（a）的频谱曲线进行分析可得其谐波含量为1.972%；同样对图5（b）的频谱曲线进行分析可得其谐波含量为2.098%。4．2结论本文用SVPWM的调制方式实现对应急通风逆变器的控制，经过上述分析和实验，其实验结果表明：①通过DSP的软件编程确定开关次序的软件SVPWM调制模式对逆变器进行控制，其输出电压谐波含量3%，且电压利用率高，比其它PWM算法简单。②在系统要求的输入电压范围内，该装置始终能保持恒压输出，且输出电压幅值波动±5%，输出电压频率始终在35±1%范围内波动。完全满足系统设计的要求。③在系统要求的输入电压范围内，应急通风逆变器运行45min后自动停机，从而保护蓄电池的使用寿命，且工作45min后，系统温升为30℃，因此该装置在-20-+55℃工作环境下均能可靠地运行。④控制微机选用数字信号处理器TMS320F24