0 引言
在電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用到了PWM技術(shù),。PWM控制利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把整流后的直流電變成脈沖序列,，通過(guò)控制脈沖寬度和脈沖列的周期以實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制,，同時(shí)減少輸出電壓電流諧波,。早期的SPWM控制主要著眼于使逆變器輸出電壓波形盡量接近于正弦波，希望輸出PWM電壓波形的基波成分盡量的大,，諧波成分盡量的小,，并沒(méi)有考慮到電動(dòng)機(jī)本身旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的影響。空間電壓矢量PWM技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,，它將逆變器和交流電機(jī)作為一個(gè)整體來(lái)考慮,，其控制目標(biāo)是使磁通軌跡近似為圓，也被稱(chēng)為磁鏈跟蹤PWM控制,。本文在分析空間電壓矢量PWM原理的基礎(chǔ)上,，提出了一種基于16位PIC24FJ64GA單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SVPWM控制的方法。
1 空間電壓矢量PWM控制原理
空間電壓矢量PWM控制是以三相對(duì)稱(chēng)正弦波電壓供電狀態(tài)下交流電機(jī)的理想磁通圓為基準(zhǔn),，利用逆變器各橋臂開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的不同組合,，使逆變器的輸出工作電壓矢量作用形成的實(shí)際磁通運(yùn)行軌跡逼近基準(zhǔn)圓磁通運(yùn)行軌跡。
定義基本定子電壓矢量為：
式中,，ua,、ub和uc分別為三相定子繞組相電壓。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，典型的三相電壓型逆變電路示意圖如圖1所示,。Udc表示直流側(cè)電壓,，電機(jī)定子側(cè)相電壓由三個(gè)功率器件SA、SB和SC的開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定,，SA,、SB和SC分別表示同一橋臂下兩個(gè)功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。若SA為1,，表示上橋臂接通,，下橋臂斷開(kāi)，ua連接Udc,；反之SA為0,，表示下橋臂接通，上橋臂斷開(kāi),，ua連接0,。同理可得開(kāi)關(guān)SA的狀態(tài)與ub的關(guān)系，開(kāi)關(guān)SC的狀態(tài)與uc的關(guān)系,。
根據(jù)所得功率器件SA,、SB和SC開(kāi)關(guān)狀態(tài)的8種組合，可以構(gòu)成8種空間電壓矢量,，如圖2所示,。對(duì)外部負(fù)載而言，包括6個(gè)非零矢量V1(100),、V2(010),、V3(110)、V4(001),、V5(101),、V6(011)，和2個(gè)零電壓矢量V0(000),、V7(111)的輸出電壓為零,。六個(gè)非零電壓矢量在空間上相互間隔。
定子繞組Y型連接的電機(jī)三相輸入電壓為：
根據(jù)三相系統(tǒng)向兩相系統(tǒng)變換保持幅值不變的原則,，三相電壓的合成空間矢量在α,、β坐標(biāo)系中可表示為：
式中，Uα,、Uβ為空間電壓矢量在定子靜止αβ軸上的分量,。
1．1 空間電壓矢量的合成
根據(jù)矢量合成的平行四邊形法則和PWM等效面積原理，利用上述8種矢量可以合成任意角度有限模長(zhǎng)的輸出電壓矢量,，其最大模長(zhǎng)決定了輸出電壓的最大幅度,，如圖3所示。
圖中θ為Uref與空間電壓矢量Uθ之間的夾角,，Uref落在矢量Uα和Uβ之間,，為兩者合成后的輸出電壓矢量，
式中,，Ts為采樣周期,，t1、t2分別為電壓矢量Uα,，Uβ的作用時(shí)間,。
根據(jù)三角正弦定理有：
6種空間電壓矢量幅值相等，且等于2Udc／3,，由式(5)和(6)可得：
在一個(gè)PWM周期Ts內(nèi)都改變相鄰基本矢量的作用時(shí)間,，并保證所合成的電壓空間矢量的幅值都相等，因此當(dāng)Ts取足夠小時(shí),，電壓矢量的軌跡是一個(gè)近似圓形的正多邊形,。為了使每次的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，開(kāi)關(guān)次數(shù)最少,，需要在t0=Ts-t1-t2,。為了使磁鏈的運(yùn)動(dòng)速度平滑，插入零矢量不是集中地插入,，而是將零矢量平均分為幾份,，多點(diǎn)地插入到磁鏈軌跡中去。
1．2 確定扇區(qū)
將圖2劃分為6個(gè)扇區(qū),，扇區(qū)的編號(hào)在圖中標(biāo)識(shí),，下面介紹一下確定扇區(qū)號(hào)的方法，令,、 ,、分別為：
定義三個(gè)變量：m、n和p,，如X>0,，則m=1，否則m=0,；y>0,，則n=1，否則n=0：Z>0,，則p=1,，否則p=0。設(shè)扇區(qū)編號(hào)N=4p+2n+m,，N與輸出電壓矢量所在的扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示,，
2 基于PIC單片機(jī)的SVPWM實(shí)現(xiàn)
空間電壓矢量PWM控制采用Microchip公司出品的PIC24FJ64GA芯片實(shí)現(xiàn),，它是在現(xiàn)有的RISC單片機(jī)系列構(gòu)架的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的一種功能強(qiáng)大的架構(gòu)。通過(guò)向用戶(hù)提供更強(qiáng)的計(jì)算功能和更豐富的外設(shè)集,，此架構(gòu)使用戶(hù)能夠升級(jí)他們的應(yīng)用,。與此同時(shí)，此架構(gòu)還被嚴(yán)格設(shè)計(jì)為與
現(xiàn)有的PIC MCU功能急和指令助記符盡可能一致,，從而簡(jiǎn)化了應(yīng)用的升級(jí)工作,。
PIC24FJ64GA004采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間以及獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)總線,。架構(gòu)還允許在代碼執(zhí)行的過(guò)程中直接通過(guò)數(shù)據(jù)空間訪問(wèn)程序空間,。程序地址空間可存儲(chǔ)4M指令字。最高的運(yùn)行速度可達(dá)到16MIPS,，帶有4×PLL選項(xiàng)的8MHz內(nèi)部振蕩器和多個(gè)分頻選項(xiàng),，17位×17位單周期硬件乘法器，32位／16位工作寄存器,，還具有優(yōu)化的C編譯器指令構(gòu)架,，并且PIC24FJ64GA004還具有一系列能在工作時(shí)顯著降低功耗的功能，主要包括：動(dòng)態(tài)時(shí)鐘切換,，打盹模式操作,，基于指令的節(jié)能模式。在模擬特性方面,，它最多13通道的10位模DAC,，用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋，電壓,、電流等模擬信號(hào)的采用實(shí)現(xiàn)電機(jī)的各種控制,，并且還具有故障保護(hù)時(shí)鐘監(jiān)視器操作功能，可以很好對(duì)電路進(jìn)行保護(hù),。
2．1 硬件電路框圖
PIC24FJ64GA具有5個(gè)帶編程預(yù)分頻器的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器,，5個(gè)16位輸入捕捉，5個(gè)16位比較／PWM輸出,。在測(cè)速環(huán)節(jié)方面,，本文采用光電碼盤(pán)測(cè)算方式，結(jié)合PIC24F單片機(jī)的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器及相關(guān)接口,，使用M／T法編程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的計(jì)算,。歐姆龍公司生產(chǎn)的編碼器型號(hào)E6B2-CWZ6C，它由5～24V電源供電,，有三路輸出,，分別為A相、B相,、Z相,，其中A與B用于測(cè)速,，它們的相位差為90°,每轉(zhuǎn)過(guò)一圈輸出1500個(gè)脈沖；而Z脈沖則是每轉(zhuǎn)過(guò)一圈輸出一個(gè)脈沖,，用于系統(tǒng)定位,。其中在電路設(shè)計(jì)中，逆變器的驅(qū)動(dòng),，我們采用IR2130集成芯片，該芯片驅(qū)動(dòng)的逆變器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，工作穩(wěn)定,，可靠地實(shí)現(xiàn)過(guò)流和短路保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示,。
2．2 SVPWM算法軟件編程的實(shí)現(xiàn)
圖5初始化流程圖 圖6 SVPWM中斷子程序SVPWM算法可通過(guò)對(duì)PIC軟件的編程來(lái)實(shí)現(xiàn),，程序編寫(xiě)主要包括主程序和SVPWM中斷子程序。主程序主要完成對(duì)PIC24FJ64GA系統(tǒng)初始化,，配置片上外圍資源等功能,。中斷子程序主要完成輸出所需的PWM波形的功能。具體的流程圖如圖5和圖6所示,。
3 結(jié)果分析
控制芯片采用16位單片機(jī)PIC24FJ64GA,，在交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中編寫(xiě)空間電壓PWM算法下載到控制芯片中。仿真實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)為：額定功率為6kW,，額定電壓為310V,，極對(duì)數(shù)為2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0．0085,，額定轉(zhuǎn)速為3600r／min,。仿真實(shí)驗(yàn)輸出的相電流和線電壓波形如圖7和圖8所示。
從圖中7和圖8可見(jiàn),，采用SVPWM算法,，電流正弦度較好，定子輸出電壓電流諧波小,，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效件,。
4 結(jié)論
空間電壓矢量PWM控制具有直流母線側(cè)電壓利用率高、開(kāi)關(guān)器件損耗小,、便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn),，已廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中。本文采用PIC單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)SVPWM算法在交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,，具有成本低廉,、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、電流諧波分量少等特點(diǎn),，在一些控制精度要求不高,，如電爐爐溫調(diào)節(jié),、水位調(diào)節(jié)、風(fēng)力調(diào)節(jié)等場(chǎng)合具有一定的應(yīng)用空間,。