关于TMS320F28335控制的高性能变频调速系统
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。
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。
1. 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。
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。
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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。
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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(Variable Voltage ariable Frequency System)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。
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