专业组先进控制类东北大学基于TMS320F28335控制的高性能变频调速系统的开发Word格式文档下载.docx
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耿智(gengzhi0202@)
曹俊伟(junweicao@)
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耿智
基于TMS320F28335控制的高性能变频调速系统的开发
摘要
随着电力电子器件和微处理器技术的不断发展,交流变频调速系统得到了迅猛的发展;
本文设计了以TMS320F28335为核心的硬件控制电路,对交流调速SVPWM算法进行了实验,实验结果验证了这种算法的正确性。
在此基础上,对变频调速系统的VF控制系统进行了实验研究,实验结果表明:
控制系统实现了异步电机的变频控制,具有良好的动态响应。
Abstract
Withtherapiddevelopmentofpowerelectronicdevicesandmicroprocessors,ACvariablefrequencyandspeedregulatingsystemhasalsomadeabreakthrough.ThethesisintroducesthehardwarecircuitdesignbasedonTMS320F28335,andtheresultoftheexperimentprovestheSVPWMalgorithmiscorrect.ItalsodoessomeresearchonVFcontrolsystemoftheinverterandtheresultoftheexperimentsprovesthatthecontrolsystemachievesthepurpose,andhasaquickdynamicresponse.
1.引言
近年来,交流变频调速装置在工业中得到了广泛的应用,根据国家有关部门的调查统计,我国发电量的50%以上用于推动电动机做功,其中90%的电动机是交流电动机。
这类高压电动机被广泛用于电力、冶金、钢铁、石化、煤矿等大、中型企业,拖动风机、泵类、压缩机等各种负载设备,而且大多数采用直接恒速拖动,每年都会造成大量的能源浪费。
此类负载工况变化较大,如采用交流调速技术实现变速运行,节能效果明显。
因此,我国的高压变频器市场规模十分庞大,根据相关统计,2009年市场规模达到了39亿元,并且市场规模将持续的增长,预计到2012年将达到85亿元。
由于国内大容量高性能交流调速系统的研制工作起步较晚,仅有少量产品投入运行,目前很多必须的场合均为国外产品所占领。
而国外产品一般价格较高,很难为一般用户所接受;
且国外的电网等级一般为3kV,而国内的电网等级多为6kV和10kV,直接从国外进口变频器存在着电网等级不匹配的问题。
以上原因相应的限制了此类系统在我国的推广和应用。
因此,研制出性能可靠、价格合理的高压大容量高性能变频调速装置并尽快投入批量生产,具有重要的现实意义。
同时不可控整流器的谐波污染问题越来越得到重视,应用PWM整流器,解决谐波污染得到了广泛的共识。
针对以上问题,本系统设计利用TMS320F28335为控制核心的实验系统,对双PWM变频调速系统的控制进行了实验研究。
2.系统方案
本设计的三相PWM变频器系统实验平台的硬件由两大部分组成,分别是主电路部分和控制电路部分。
如图1所示。
图1系统实验平台结构图
系统主电路部分主要由网侧滤波电感、三相整流桥、直流储能电容、三相逆变桥和异步电机组成。
控制电路部分以TMS320F28335为核心,辅以电流、电压、速度检测和PWM驱动等模块电路。
1)主电路
采用三相整流桥和逆变桥,可实现双侧的PWM控制,实现电机的四象限运行,能量回馈,达到节约能源,减少谐波污染的目的。
主电路结构图如图2所示。
图2主电路结构图
2)控制电路部分
硬件控制电路以TI公司高性能的32位浮点DSP控制芯片TMS320F28335为核心,辅以电流、电压、速度检测和PWM驱动等功能电路。
控制系统结构图如图3所示。
TMS320F28335的时钟频率高达150MHz,并且具备浮点运算单元(FPU),68K的RAM和512K的Flash,在运算速度和运算精度上完全可以满足高性能双PWM变频控制系统的需要。
此外,TMS320F28335还具有丰富的片内外设单元,最高支持18路PWM信号输出,具有2个正交编码单元(eQEP)、6个捕获单元(eCAP),支持CAN、SCI、SPI、I2C通讯[42],通过数模转换单元(ADC)可以实现电机电流信号、直流母线电压信号的A/D转换,通过正交编码单元(eQEP)实现电机速度的检测和电机的旋转方向,通过脉冲调制模块(ePWM)生成12路PWM驱动信号,正好可满足两电平系统所需的全部12路PWM信号。
采用互补输出模式,在DSP内加入死区延时,保证主电路的可靠工作。
图3控制系统结构图
目前应用在变频器上的PWM调制方法可以分为两类:
基于载波的SPWM调制方法和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。
SPWM算法,就是利用一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形,其脉冲宽度是由正弦波和三角波相交生成的,来等效正弦波形。
SVPWM算法,就是用逆变器每个开关周期内输出的三相脉冲电压合成电压矢量,与期望输出的三相正弦波电压合成的空间矢量(参考矢量)等效。
SVPWM算法的直流母线利用率较高,但是SPWM算法注入三次谐波以后也可以到达的相同直流母线利用率。
控制系统采用VF控制策略,调制波部分采用SVPWM调制方式。
在异步电动机的调速系统中,变压变频调速系统(VariableVoltageariableFrequencySystem)是控制性能最好,效率最高的调速系统.VF控制是指在调速过程中保持电压和频率的比值不变,即在改变电源频率的同时,保证电机的定子磁通恒定.由于其具有软、硬件实现简单、性价比合理等优点,而在交流调速中得到了广泛应用。
SPWM和SVPWM并不是两种孤立的调制方法,典型的SVPWM是一种在SPWM的相调制波中加入了零序分量后进行规则采样得到的结果,只不过从实现方法上来看,SPWM算法更适合于硬件电路实现,而SVPWM算法更适合于数字化控制系统。
因此,SVPWM算法目前广泛的应用于数字控制的电压源型逆变器中。
本设计中,采用SVPWM调制方法,同时,为了消除偶次谐波,采用小矢量对称的开关顺序。
3.系统硬件设计
本系统对控制电路中的DSP外围电路、ADC接口电路、码盘接口电路、电平转换电路等进行了设计,下面对其关键部分进行详细的介绍。
3.1DSP外围电路
DSP的外围电路主要包括:
电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG接口电路和外部存储电路。
(1)电源电路
TMS320F28335的I/O引脚和可编程Flash的电压是3.3V,而内核的供电电压是1.9V,因此,DSP芯片需要3.3V和1.9V两种电压供电。
这里采用TI公司专门为DSP控制系统设计的电源芯片TPS73HD301,该芯片输入电压为5V,输出有固定3.3V和1.2V—9.75V可调,每路输出最大750mA,通过调节R23和R24的电阻值可以调节输出电压至1.9V。
(2)时钟电路
TMS320F28335的时钟频率为150MHz,由30MHz的外部时钟信号通过DSP内部的PLL倍频得到。
这里采用30MHz的有源晶振。
有源晶振与无源晶振相比,不需要DSP的内部振荡器,信号质量好,比较稳定,而且连接方式相对简单,不需要复杂的配置电路。
图4时钟电路
(3)复位电路
为了防止系统出现死机等状况,需要手动复位电路,当按下复位按钮后,会产生一个低电平脉冲送入DSP的复位引脚。
这里采用复位芯片SP708R,复位芯片与常规的复位电路相比可靠性更高,电路更加简单。
复位电路如图5所示。
(4)JTAG接口电路
TMS320F28335通过标准的14针JTAG接口与仿真器连接,仿真器通过USB线缆与PC机连接,这样才能实现DSP的在线编程和调试。
因此JTAG接口在控制系统中是必不可少的。
图5DSP复位电路
(5)外部存储电路
控制系统需要保存大量的参数,例如电机的铭牌参数、PI调节器的参数、故障代码等,考虑到DSP的I/O端口电压为3.3V,故选用3.3V的EEPROM芯片24WC256。
DSP通过I2C总线对24WC256进行读操作和写操作。
3.2ADC接口电路
为了实现三电平逆变器的VF控制,需要检测直流母线电压和异步电机的相电流,对于TMS320F28335的ADC模块,模拟量的输入范围为0—3V,而电压、电流传感器的输出值往往不在这个电压范围内,因此需要设计ADC接口电路,对传感器检测到的电压值进行量化处理,满足TMS320F28335对于模拟量输入的要求。
电压检测接口电路如图6所示:
图6电压检测电路
下面以
为例进行说明,通过R29和R30分压,对电压测量值
的电压值进行调节;
通过R35、R38、C35、C38和U14A组成的有源滤波电路对电压测量值进行滤波处理;
通过C74、R92和U14B来调节输出电阻;
通过齐纳二极管D9和D10对模拟量输入的限幅,防止输入电压值过大,烧坏DSP的ADC模块。
电流检测接口电路,电路的基本结构和电压检测接口电路类似,在电压检测电路的基础上,增加了直流偏置电路。
3.3码盘接口电路
在异步电机的矢量控制中,需要使用光电编码器来检测电机转速。
选择的编码器为欧姆龙公司的E6B2-C,分辨率为每转1000个脉冲,采用+15V供电,光电码盘反馈的脉冲信号也为15V,因此需要设计码盘接口电路来进行脉冲信号的电平变换。
3.4电平转换电路
DSP和CPLD的I/O端口电压为3.3V,而很多的外部接口电路,例如IGBT驱动电路的输入电压、码盘接口电路的脉冲信号、数字量输入和数字量输出的电压信号均为5V。
因此需要电平转换电路,来实现控制电路和外部电路的信号传递。
这里选择TI公司的电平转换芯片SN74ALVC164245,该芯片支持16路信号的电平转换,驱动能力强,并且可以通过DIR引脚来设置信号的传输方向。
4.系统软件设计
系统的控制算法采用VF控制,VF控制是指在调速过程中保持电压和频率的比值不变,即在改变电源频率的同时,保证电机的定子磁通恒定。
交流异步电机定子绕组的感应电动势有效值为:
其中,k为常数,
为定子磁通,U为定子电压,
为频率,E为感应电势。
在进行变频调速时,在U不变的情况下,如果
下降,
增加,将引起磁通饱和,电流波形畸变,削弱电磁转矩,影响机械特性,如果
增加,
则下降,导致负载能力下降。
因此,在改变
的同时,改变U,保持U/
=
为恒值。
同时还应考虑电压较低时的定子压降。
由于VF控制具有软、硬件实现简单、性价比合理等优点,而在交流调速中得到了广泛应用。
调制算法采用SVPWM控制,该算法的核心是保证电压空间矢量(三相定子电压矢量和)的运行轨迹为圆形,并产生谐波含量较少、直流母线电压利用率较高的输出。
根据伏秒平衡原理,利用逆变器功率开关管的8个开关状态所确定的基本电压矢量和顺序组合,以及开关管导通时间的调整,可以获得所要求的参考电压空间矢量,从而实现交流电动机的变频调速。
本设计在基本算法的基础上。
采用消除偶次谐波的SVPWM算法,收到良好的效果。
本文基于VF控制模式,结合SVPWM算法,设计了用TMS320F28335实现的三相异步电机变频调速方案。
其算法框图如图7所示:
图7VF控制系统框图
在空载情况下的MATLAB仿真结果如下图所示,给定速度为900rpm,分别为转速和电流波形:
(a)(b)
图8(a)转速(b)相电流
从仿真结果可以看出,电机动态响应良好,运行情况稳定,从理论上验证了该算法的可行性。
整流侧采用电压定向控制,这种策略类似于异步电机的矢量控制方式,将同步旋转坐标系定向在电网电压矢量上,通过控制电流矢量与电网电压矢量同向,来实现PWM整流器的单位功率因数运行。
本设计的程序流程中,把电机的状态分为四种状态,即系统空闲,系统启动,系统运行,系统停止。
中断系统采用了EPWM中断和定时器中断,在这里不做赘述。
下面只以主程序为例进行说明,流程如图9示:
图9系统主程序流程图
系统创新
本设计采用单DSP双PWM控制,以TMS320F28335为控制核心,其时钟频率高达150MHz,并且具备浮点运算单元(FPU),68K的RAM和512K的Flash,在运算速度和运算精度上满足了双PWM变频控制系统的需要,主要的创新点如下:
(1)双PWM变频控制,实现交流调速的四象限运行和能量回馈,既提高了可靠性,也实现了节约能源;
整流部分采用可控整流控制,实现了功率因数为1,提高了功率因数,达到了抑制了谐波污染的目标。
(2)本文以TMS320F28335为核心,构建了一个三相双PWM系统实验平台,对实验平台进行了软硬件设计,和系统的全数字化实现,完成了一体化控制策略的研究。
评测与结论
为了对控制系统策略进行实验验证,搭建了如图所示的双PWM变频器的实验平台。
异步电机的铭牌数据如下:
额定功率:
;
额定转速:
额定电压:
额定电流:
功率因数:
设计标准:
JB-T7565.1-2004;
图10实验平台结构图
SVPWM调制算法是变频控制系统的基础,上文已经通过Simulink对改进的三电平SVPWM算法进行了验证,为了进一步验证该算法,在以DSP为控制核心的实验平台上,对SVPWM算法进行了实验。
图11电流波形与FFT分析
电机启动过程中,控制系统检通过ADC检测到的A相电流波形如图所示,给定频率为25Hz时,电机相电流波形如图所示,使用示波器的谐波分析功能,对电流波形进行谐波分析,可以发现电流波形的基波频率与给定频率一致。
其空载时的转速波形如下所示,与仿真结果相一致,具有良好的动态性能。
图12转速波形
综上,本设计开发了以TI公司的TMS320F28335为核心的硬件控制电路,并且在此基础上,搭建了双PWM变频器的实验平台。
在平台上,对上文所述的SVPWM算法进行实验,通过实验波形可以进一步验证SVPWM算法的正确性;
对VF控制系统进行了实验研究,通过电机的空载实验,表明控制系统实现异步电机的一体化变频控制,具有良好的动态性能。
附录
实验平台的实物图如下所示:
图(a)所示的是控制电路板,DSP(TMS320F28335)核心板采用了四层板的结构,接口板为双层板。
图(b)所示的是实验机组的全貌,其中可以看到电机机组,控制柜等实物。
(a)(b)
图13实验系统的实物图
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