1、SVPWM 在BLDC电机中的应用伺服电机 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目： SVPWM 在BLDC电机中的应用 专 业： 自动化（数控技术） 班 级： XXXXX 学 号： XXXXXX 学生姓名： XXXX 指导教师： XXX 讲 师 起迄日期： 2012.22012.6 设计地点： 实验楼 _Graduation Design (Thesis) SVPWM in The Application of BLDC MotorByZHU XiangSupervised byTENG Fu LinSchool of AutomationNanjing Institute of Techno
2、logyJune, 2012摘 要随着工业自动化的发展，人们对电机控制系统的性能要求越来越高。矢量控制、直接转矩控制等先进的控制理论不断提出，而微处理器和控制器的更新换代特别是数字信号处理（DSP）的出现，使得理论成为实践。智能化功率模块和空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术的出现，极大的改善了电机的控制性能。本论文重点讲述了以功能强大的DSP、智能化的功率模块和先进的SVPWM技术实现永磁无刷直流电机的开环调速。介绍了基于DSP的硬件控制平台的组成部分。重点分析了SVPWM技术原理、产生PWM波的控制算法和程序的实现，最后在DSP控制平台上对其控制性能进行了验证。本论文所有的硬件电路设计和程序
3、编写基于TMS320F2806建立的数字控制系统。硬件电路中的电源电路，单片DSP最小系统电路等主要部分都是经过实际的焊制和调试。软件设计中的SVPWM程序主要采用C语言套用格式，使用CCS（C2000）编译环境下在DSP控制平台上进行了实际调试和验证。关键词：数字信号处理器；空间矢量PWM；逆变器ABSTRACT Along with the development of industrial automation, people on the motor control system performance demand more and more. Vector control, dir
4、ect torque control and other advanced control theories have been put forward, and the microprocessor controller and the update especially digital signal processor (DSP) appear, makes theory into practice. Intelligent power module and space vector pulse width modulation (SVPWM) technology appear, gre
5、atly improved the motor control performance.This paper focuses on the function of the powerful DSP, intelligent power module and advanced SVPWM technology to achieve permanent brushless dc motor of the open loop control. Introduces the hardware platform based on DSP control of the component. Analyse
6、s the SVPWM technology principle, produce PWM waves of the control algorithm and the realization of the program, and the last in the DSP control platform on the control performance is validated.This paper all the hardware circuit design and programming TMS320F2806 based on a digital control system.
7、Hardware circuit of the power supply circuit, monolithic DSP minimum system such as the main part of the circuit is after the actual soldering and debugging. The software design of SVPWM procedure mainly using C language to format, using CCS (C2000) compiled environment in DSP control platform on th
8、e actual commissioning and validation.Key words： DSP；Space vector PWM；inverter 第一章 绪论 11.1 引言 11.2 选题背景 11.3 课题研究意义 21.4 研究内容 21.5 本文的结构 2第二章 SVPWM的生成原理 42.1 24V直流无刷电机调速控制 42.2 几种PWM输出方法的比较 42.3 SVPWM生成原理 4第三章 SVPWM算法的实现 73.1 扇区的判断 73.2 相邻两矢量的开关作用时间 73.3 切换顺序 93.4 SVPWM的调速 103.5 SVPWM波的死区控制 10第四章 支持
9、SVPWM发生器的硬件电路 114.1 DSP微处理器 114.2 DSP基本外围电路的设计 124.3功率驱动电路 144.4 SVPWM产生的硬件基础 16第五章 SVPWM的软件设计 185.1定点DSP的Q格式 185.2 SVPWM控制参数的Q格式及代码实现 195.3 SVPWM程序流程图 205.4 实验结果分析 21第六章 结论 23致谢 24参考文献 25附录A：硬件设计原理图 26第一章绪 论1.1 引言SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)，即电压空间矢量脉宽调制，SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变
10、器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。随着电压型逆变器在高性能电力电子器件的广泛应用,脉宽调制(PWM)控制技术作为这些系统的核心技术,引起了高度重视。到目前为止,从电源角度出发的SPWM 技术,在各种应用场合占主导地位。从电机角度出发的空间矢量调制(SVPWM) 技术由于控制简单、数字化实现方便等特点,目前已有替代传统SPWM的趋势。空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，目标在于使电机获得理想圆形磁链轨迹。SVPWM技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁
11、场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，在线性调制区域,它的电压利用率SPWM高达15.47%。在非线性调制区域,通过采取过调制策略,能够保证其线性调制并能进一步提高其电压利用率2。1.2 选题背景交流调速技术最常用的方法是变频调速，通常是通过改变电源频率来实现交流电动机的速度控制。早期的变频系统都是采用开环恒压频比(U/F恒定)的控制方式，其优点是控制结构简单，成本较低；但是，其控制系统性能不高，利用率低，转矩响应慢。因此这种控制方式仅适应控制性能要求不高的场合。上世纪70年代，德国的F.Blaschke提出了矢量控制理论，开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河，使交流电动机
12、调速后的机械特性以及动态性能都达到了与直流电动机调压调速性能不相上下的程度3。1985年，德困鲁尔大学的Depenbroch教授首次提出了直接转矩控制理论(DTC)，它是采用空间矢量的分析方法，把转矩直接作为被控量水控制，从而获得转矩的高动态性能。矢量控制和直接转矩控制虽然都能达到极高的控制性能，但是矢量控制需要的参数较多，算法代码庞大，直接转矩控制低速性能不佳，设备要求精良等原因，使得它们在工业中特别是像中国这样的发展中国家工业中还没有得到很好的应用。随着带有实时信号处理器的电机控制器件如DSP和和集成度很高的智能功率模块IPM的出现，以及SVPWM控制技术的不断完善和创新，矢量控制将在不久
13、的将来占据工业生产的主导地位。1.3 课题研究意义国内交流伺服系统在数控机床、机器人等行业已经开始了大量应用。市场上具有自主知识产权的民族品牌也如雨后春笋般发展起来。但是这些新兴的伺服驱动器生产商都面临同一个问题：交流伺服电机的高成本如何面对步进电机价格优势的冲击。同时，在实际应用中，如果想使用交流伺服系统来代替步进驱动，那么步进驱动中一些有用的成分是否仍然可以保存下来，例如低压开关电源。从这个出发点考虑，本课题先预期设计低压交流伺服系统，以兼容步进驱动电源。但是，项目一开始就遇到一个尖锐的问题：由于不具备伺服电机的自主产权，需要购置伺服电机，而国内市场根本采购不到小功率的低压伺服电机。所以，
14、从成本和课题难度考虑，本文后期研究采用了BLDC电机代替低压交流伺服电机，而小功率低压BLDC电机是很成熟的产品。传统BLDC电机采用6扇区磁链控制，低速性能有待提高，所以本课题中仍然采用SVPWM来实现BLDC控制。1.4 研究内容针对上述背景与条件，本课题是以开环的恒压频比控制系统为例，讲述如何用功能强大的信号处理器DSP、智能化的IPM模块和新兴的SVPWM技术去实现变频调速系统。并从实际应用角度考虑，在安全性、实用性、降低成本方而进行了相关的研究。本课题所要研究的主要内容包括：(1)基于DSP和IPM的交流调速控制平台的设计。系统以TMS320F2806为中央处理器设计控制电路，主要包
15、括DSP基本外围电路设计，智能功率模块PM50RSAl20组成的交-直-交电压源型逆变器设计驱动电路。并对实际应用时的安全可靠性电路进行了设计与实现。(2)SVPWM控制技术设计与实现。详细介绍了SVPWM波产生的控制原理，控制算法，控制算法以及软件流程的实现。1.5 本文的结构本文以SVPWM在BLDC电机中的应用的研发工程项目作为应用背景，对SVPWM技术进行了研究。全文共分为七章，各章的主要内容如下：第一章：扼要地介绍了SVPWM技术、交流调速和伺服系统的概念、特点与相关研究背景以及研究内容；第二章：具体研究了SVPWM的生成原理；第三章：对SVPWM算法的实现进行了研究，给出了生成SV
16、PWM波的具体方案；第四章：研究了支持实现SVPWM波的硬件电路，包括对DSP基本外围电路的设计和功率驱动电路的设计；第五章：对SVPWM的软件设计给出了具体的说明，并且给出了相应的流程图；第六章：总结了全文的研究工作，并且给出了存在的问题和进一步研究的方向。第二章 SVPWM生成原理2.1 24V直流无刷电机调速控制原理三相永磁无刷直流电动机和一般的永磁有刷直流电动机相比，在结构上有很多相近或相似之处，用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有三相绕组的定子取代电枢，用逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷，就得到了三相永磁无刷直流电动机。直流
17、无刷电机调速的原理就在驱动电动机的基础上将驱动电流由PWM信号来控制，改变PWM信号的脉冲宽度，即通过调节MOSFET通断时间来调节提供给电机三项电流大小，从而对电机进行调速控制。2.2 几种PWM输出方法的比较PWM（Pulse Width Moddulation）,脉宽调制，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开。这样通过改变晶闸管的导通时间（即调占空比ton）就可以调节电机电压，从而进行调速。对比于SVPWM的产生原理可知，SVPWM本身的产生原理与PWM没有任何关系，只是形似。SPWM，正弦波脉宽调制，将正弦半波N等分，把每一
18、等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。三角波载波信号Ut与一组三相对称的正弦参考电压信号Ura、Urb、Urc比较后，产生的SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，调节正弦波参考信号的幅值和频率就可以调节SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。 SVPWM与SPWM的原理和来源有很大不同。SPWM由三角波与正弦波调制而成，SVPWM却可以看作由三角波与有一定三次谐波含量的正弦基波调制而成。而SVPWM的电压母线利用率要比SPWM高15.47%，因此采用SVPWM对直流无刷电机进行控
19、制。2.3 SVPWM产生原理空间矢量脉宽调制SVPWM的英文全称为Space Vector Pulse Width Modulation，实际上对应于永磁同步感应电机中的三相电压源逆变电器的功率器件的一种特殊的开关出发顺序和脉宽大小的组合，这种开关出发顺序和组合将在定子线圈中产生三相互差120电角度的波形失真较小的正弦波电流。本设计着重于SVPWM在直流无刷电机中的应用。图2.1 三相电源逆变器结构图2.1是电压源型PWM逆变器示意图，它的三个桥臂的六个功率开关器件一共有八种开关模式。用Sa、Sb、Sc分别表示三个桥臂的状态，规定当上桥臂器件导通时桥臂状态为1，下桥臂器件的桥臂状态为0。那么
20、，逆变器的八种开关模式对应八个电压空间矢量9。对应于不同状态时输出给电机的相、线电压对应值（相对应于直流电压UDC）如表2.1所示。表2.1 功率晶体管的开关状态和与之对应的输出线电压和相电压的关系表abcVa(VDC)Vb(VDC)Vc(VDC)Vab(VDC)Vbc(VDC)Vca(VDC)0000000001002/3-1/3-1/310-11101/31/3-2/301-1010-1/32/3-1/3110011-2/31/31/3-101001-1/3-1/32/30-111011/3-2/31/31-10111000000表中Va、Vb、Vc表示3个输出的相电压，Vab、Vbc、V
21、ca表示3个输出的线电压。在实际的应用当中需要将定子三相坐标系（A、B、C）转换为定子两相坐标系（、）。在（、）坐标系中与输出的三相相电压相对应的分量可以由下面的等式表示：Vs=Va （2-1）Vs=（2Vb+Va）/ （2-2）用矩阵表示为：= （2-2）在8个空间矢量中000,111这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效电流，因此称其为0矢量另外6中开关状态分别是六个有效矢量。这六个有效矢量将360的电压空间分为60度的一个扇区，一共六个扇区10。利用这六个有效矢量和两个零矢量，可以合成360内的任何矢量。图2.2为逆变器的八个电压矢量的空间分布图2.2空间电压矢量功率晶体管的开关状态的
22、组合一共只有8种，从而形成8种基本电压空间矢量构成了如图2.2所示的六边形并将六变边形分成了六个扇区，这样就形成了六边形磁链。但是在实际的电机应用中六边形磁链输出电压谐波含量比较高，容易导致电机在低速时的转矩脉动很大。因此，为了降低输出电压谐波含量，一般都采用使电动机磁链轨迹形状更接近于圆形的多边形磁链轨迹。SVPWM的基本原理就是用若干个开关电压矢量去近似等效给定的参考电压矢量，用六个基本的电压矢量去合成更多的有效矢量从而形成N边形磁链等效接近于圆形磁链12。一个周期内合成的有效矢量越多，说明采样频率越高，实际生成的波形也就越接近于正弦波。第三章SVPWM算法的实现要实现SVPWM波就必须做
23、以下几件事：判断Uout的所在扇区；计算相邻两开关电压矢量的时间；确定开关顺序13。3.1 扇区的判断 给定一个Uout，如果要计算它的导通时间和它的开关顺序，就先得计算出Uout所在的扇区。其中Uout可以分解到定子两相坐标系（、）中用Ualfa和Ubeta来表示，那么可以设三个参考量Vref1、Vref2和Vref3用Ualfa和Ubeta来表示，其关系式如下： （3-1）再定义3个变量，a、b、c。如果Vref10,则a=1，否则a=0；如果Vref20,则b=1，否则b=0；如果Vref30,则c=1，否则c=0。设N=4*c+2*b+a，则N与扇区数sector的对应关系如表3.1所
24、示。表3.1 N与扇区数sector的对应关系表N123456sector150324第0扇区为基本空间矢量U0、U60包围的扇区，第1扇区为基本空间矢量U60、U120包围的扇区，第5扇区为基本空间矢量U300、U360包围的扇区。3.2 相邻两矢量的开关作用时间在（、）坐标系中Vs、Vs是基本空间矢量分解得到的子轴分量，每个基本空间矢量与合适的功率晶体管开关信号组合（c，b，a）是一一相对应的。例如（c，b，a）=001时，表示此时的空间矢量为U0。空间矢量PWM技术的目的是通过基本空间矢量对应的开关状态的组合从而得到一个给定的定子参考电压矢量Uout。参考电压矢量Uout分别用Ualfa
25、和Ubeta表示5。图3.1表示参考电压矢量、与之对应的（、）轴分量Ualfa和Ubeta和基本空间矢量U0和U60的对应关系。在图3.1所示的情况中，参考电压矢量Uout位于被基本空间矢量U0，U60所包围的扇区中，因此Uout可以用U0和U60两个基本空间矢量来表示。于是有如下等式成立： （3-2）在式(3-2)中T1和T2分别是在周期时间T中基本空间矢量U0、U60各自的作用时间，T0是0矢量的作用时间。分解Uout到-轴则有： （3-3）图3.1 Uout和Ualfa、Ubeta以及U0、U60的对应关系图所有的基本空间矢量的幅值都为2VDC/3，如果它们取相对于最大的相电压VDC/(
26、最大的线电压为VDC，则最大的相电压为VDC/)的标幺值，则空间矢量的幅值变成2/,即经过归一化后的空间矢量的幅值为带入式（3-3）则有：T1= （3-4）T2=TUbeta （3-5）在以上的两式当中Ualfa和Ubeta表示矢量Uout相对于最大的相电压VDC/归一化后（即取标幺值）后的（、）轴分量，T0=T-T1-T2是零矢量的作用时间。取T1、T2与周期T的相对值有一下等式：t1= （3-6）t2= （3-7）同理，如果Uout位于被基本空间矢量U60、U120所包围的扇区中，矢量作用时间的相对值可以表示为：t1= （3-8）t2= （3-9）在等式中T3是空间矢量U120在周期T中的
27、作用时间。如果定义X、Y和Z三个变量并分别给其赋值如下式：X=Ubeta （3-10）Y= （3-11）Z= （3-12）当矢量Uout位于被基本空间矢量U0、U60所包围的扇区（即扇区0），则有t1=-Z，t2=X；当矢量Uout位于被基本空间矢量U60，U120所包围的扇区（即扇区1），则t1=Z，t2=Y。同样的，当Uout位于被其他的空间矢量所包含的扇区中时，相应的t1和t2也可以用X、Y或Z表示，对应的关系如表3.2所示。表3.2 t1、t2与X、Y和Z的对应关系表扇 区U0、U60U60、U120U120、U180U180、U240U240、U300U300、U360t1-ZZX-
28、X-YYt2XY-YZ-Z-X3.3 切换顺序利用TI公司的TMS320F2806 DSP芯片产生SVPWM波比较容易，因为每个EV模块中都有对称空间矢量PWM波产生的内置硬件电路。只要基本空间矢量的开关时间确定，零矢量会根据每个周期始终有一个桥臂关断或导通的原则自动添加到PWM周期中。所以其开关顺序（五段式）如图3.2和图3.3所示（在0-60范围内）。图3.2 一个桥臂始终导通的开关切换顺序图3.3 一个桥臂始终关断的开关切换顺序3.4 SVPWM的调速在图2.1中，DSP将6路PWM信号送给逆变器三个桥臂的六个功率开关器件，由此产生八种不同的开关状态输出给直流无刷电机。本小节以第一扇区为
29、例即Uout被U0、U60两个基本空间矢量所包围，功率晶体管导通的顺序如图3.2所示。SVPWM的调速时通过加入PWM1、PWM2和PWM3（分别对应是a、b和c三种状态）三路信号，一个PWM周期T内T1表示的是U0的作用时间，T2表示的是U60的作用时间，T0表示零矢量的作用时间。T1+T2+T0是一个固定的值（SVPWM的调制周期），而在60的范围内Uout的方向是不断改变的，要想得到圆形磁链Uout的作用长度是保持不变的，因此T1、T2、T0的作用时间也是不断变化的，所以0矢量T0的作用时间是不断变化的可长可短从而达到了调速的目的。3.5 PWM波的死区控制如图2.1所示，在功率晶体管a
30、导通时，当a切换开关状态由导通转为关断，a由关断变为导通时，若在a管关断的瞬间功率晶体管a导通，即a管和a两根功率晶体管同时导通，从而发生电源短路的现象，导致电源烧毁，为了避免这种现象的发生，我们在a管关断的时候，提前将其关断，并且同时在a管导通时将其延迟导通，从而避免两根管子同时导通烧毁电源的现象发生。同理，另外桥臂的4个功率晶体管也相应的采取该方法阻止这样的现象发生。本设计采用的TMS320F2806 DSP芯片具有可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲从而很方便的直接通过软件实际对PWM波进行死区控制6。第四章 支持SVPWM发生器的硬件电路4.1 DSP微处理器DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行处理，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。强大数据处理能力和高运行速度是DSP的两大特色15。TMS320F2806是TI公司专门为电机控制的DSP芯片，它除了具有TMS320系列DSP的基本功能外还具有一下特点：
