通过TMS320LF2407A实现磁通正弦PWM的变频控制系统设计

近年来，变频技术飞速发展，脉宽调制(PWM)技术在变频器中已经得到了广泛的应用。把逆变器和异步电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM电压，使得磁链的轨迹靠电压空间矢量相加得到，由此产生了电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术。使用该方法能明显减少逆变器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损耗，降低了转矩的脉动。由于其控制简单、噪声低、电压利用率高、方便实现数字化等优点，目前已有取代传统SPWM控制的趋势。原文位置

TMS320LF2407A是TI公司推出的专用电机控制芯片的高端产品，他将DSP的高速处理性能和电机控制的必备外围电路集于一身，为电机控制系统的整个数字化提供了一个完美的解决方案。

1 电压空间矢量技术的原理及实现方法

电压空间矢量脉宽调制技术(SVPWM，也称为磁通正弦PWM)是从电动机的角度出发，着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。他以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。

实现SVPWM的方法有磁链圆轨迹法、电压矢量合成法等。在这里采用了电压矢量合成法，即采用2个非零矢量和2个零矢量合成一个等效的电压矢量。如图1所示，在某个时刻Wout旋转到某个扇区中，就由组成这个扇区的2个非零矢量Ux和Ux+60分别作用于T1，T2时间，先作用Ux的称为主矢量，后作用的Ux+60称为辅矢量，时间分解如图2(a)所示，为了计算方便本文采用图2(b)去等效图2(a)。

式中Tc为采样周期。

取调制度：

故可得：

由此可见，在SVPWM中，调制度最大可取到1.15，这比SPWM所能达到的Mmax=1.O高出15%，使电源的利用率更高，这是SVPWM控制方式的一个主要优点。

2基于TMS320LF2407A的SVPWM波形的产生

本文采用TI公司专为电机控制而推出的专用控制芯片TMS320LF2407A，产生恒压频比控制下的SVPWM波形。

事件管理模块是整个控制系统的关键，首先要对他进行正确的配置。

首先将定时器设置成连续增/减计数方式，将PWM载波周期的一半作为周期寄存器的值。一开始，计数器做增计数，当计数值与周期寄存器的值相等或上溢时就变为减计数;当计数器的值减到零时又变为增计数。在计数器增计数的过程中，如果计数值等于比较寄存器的值，则PWM引脚上发生跳变，而在计数器减计数的过程中，再次计数到与比较寄存器的值相等时，PWM引脚上就会发生与刚才相反的跳变。这样，只要改变比较寄存器的值，既可以改变输出脉冲的宽度，实现脉冲宽度的调制。同时可以看出，比较值的改变影响PWM脉冲的双边，这就是对称PWM波形的特点。

如果比较值等于0，则PWM引脚输出始终为1;如果增计数和减计数时的比较值都≥周期值，则PWM输出引脚保持为0。

在事件管理器的初始化程序中，为了产生对称PWM波形，需将将定时器1配置成连续增/减计数方式，且使用内部时钟作为定时计数器的计数时钟;将PWM1，PWM3，PWM5设置成高有效，PWM2，PWM4，PWM6设置成低有效。即当发生比较匹配(比较值=计数值)时，引脚PWM1，PWM3，PWM5上输出正脉冲，而PWM2，PWM4，PWM6引脚上输出负脉冲。在本程序中，生成SVPWM波形时使用的是异步调制法，即载波频率不变，只是调制信号的频率在变化。考虑到三相逆变器对PWM信号载波频率的要求，取载波频率为2.5 kHz，于是，载波周期就等于400μs。事件管理器的计数时钟为CPU时钟(40 MHz)的2分频--20 MHz，所以，载波周期的值就应为400μs(8 000*1/20 MHz=400μs)，周期寄存器的值就应为200μs(载波周期的一半)。为了避免三相逆变器同一桥臂上的上下两只IGBT同时导通而造成短路，需在PWM信号中加入一定的死区，本程序中的死区时间设为2.0μs。

于定时器2用于正交编码计数，故需将定时器2设为定向的增/减模式，并使用正交编码脉冲作为计数脉冲。

3 软件设计

软件设计的基本思想是结合串口控制和DSP各自的优点，利用控制面板方便的输入、输出功能和DSP的高速运算能力，将任务进行合理分配。同时亦可利用笔记本电脑的串口及专用的串口设置程序进行电机运行的必要设定。上位机的监控界面使用Visual Foxpro编写，此监控界面可以实现变频器的实时速度设定，并且可以对下位DSP运行情况，及外部状态进行实时显示。如遇到故障可进行故障报警并及时终止程序，保护硬件设备不受损坏。此界面里的数据只有获得权限的工作人员才能使用，这样有效地实现了系统参数的保护。DSP的系统软件由主程序和中断服务子程序构成。

主程序在完成系统初始化之后进入循环，等待中断的发生。当串行口中断发生时，进行控制面板与LF2407A的数据接收和发送。接收串口的启动、实时速度设定命令、同时检测电流、转速和发出6路PWM脉冲在DSP的定时器中断服务子程序中完成;串口中断同时定期的接收上位机的查询状态指令，这时DSP通过串口发送目前电机运转的信息如目前实际转速，以及检测到的定子电流信息等。在此程序中，串口对DSP设定的电机运转命令的大小是由主设定和辅助设定来来完成的。主设定和辅助设定之间的关系是主设定与辅助设定的和，是最终设定在电机运转程序中的给定。在这里，主设定是对电机转速粗略设定的作用，辅助设定则起到的作用是细微调节的作用。这样的处理实现设定速度与实际所测得的转速一致，以达到实现转速精确控制的目的。

4 结 语

用TMS320LF2407A实现SVPWM的变频控制系统，经过电压空间矢量PWM技术与DSP技术的结合，使电动机转矩脉动降低，消除谐波效果比SPWM要好，可以提高电压利用率。硬件电路结构简单，SVPWM的实现更加方便、准确，更接近于理想正弦磁通控制。

采用1台鼠笼式异步电动机，参数为：额定功率1.5kW，额定电流2.75 A，额定电压220 V，额定转速1 500 r/min。在空载情况下，相电流非常接近正弦波，实现了恒转矩控制。当系统的转矩突然发生变化时，系统的转速、相电流响应快速，稳态误差接近5%。通过实践应用证明，本系统具有良好的动/静态性能，结构简单、可靠性及控制精度高、响应速度快，为DSP在运动控制领域的应用打下了基础。