第 18卷 第 1期 2006年 鬯月 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 Proceedings of the CSU —EPSA V o1．18 No．1 Feb． 2006 维普资讯 http://www.cqvip.com 全 数 字 式 SVPW M 控 制 的 异 步 电 动 机 变 频 调 速 系统 (江苏 常州 轻工 职业技 术 学 院电子 电气 系 ，常州 213164) 章 丽 红 摘 要 ：由 于 传 统 的 矢 量 控 制 技 术 对 电 动 机 参 数 依 赖 大 ，电机 运 行 后 的 参 数 变 化 对 系统 性 能 影 响 大 ，而 电 压 空 间 矢 量 控 制 技 术 ，采 用 磁 链 环 路 通 过 对 电 压矢 量 的 控 制 ，可 以得 到 逼 近 圆形 的磁 链 轨 迹 ，以减 小 电机 低 频 转 矩 脉 动 和 谐 波 电 流 损 耗 ，达 到 对 速 度 转 矩 调 整 的 目的 。 以 80C196Mc单 片 机 为 控 制 器 ，以 IPM 为 主 功 率 开 关 器 件 ，设 计 出 异 步 电 动 机 全 数 字 式 SVPW M 电 压 空 间 矢 量 控 制 系 统 ，并 给 出 软 件 编 程 和 硬 件 电路 ，通 过 利 用 MATLAB 的 SIMULINK 工 具 对 其 进 行 的 仿 真 研 究 ，证 实 了该 系 统 具 有 提 高 电 压 利 用 率 、抑 制 电 流谐 波 等 方 面 的 优 势 。 关键 词 ：异 步 电动 机 ；变 频 调 速 ；电压 空 间矢 量 ；仿真 中 图 分 类 号 ：TM 921 文 献 标 识 码 ：A 文章 编 号 ：1003—8930(2006)O1-0058—05 Full Digital SVPW M Controlled VFVS System of Induction M otor (Electron and Electric Department，Changzhou Institute of Light Industry Technology， ZH A N G Li-hong Changzhou 213164，China) Abstract： The im plem entation of traditional vector control technology depends on m otor param eters and the change of the param eters will influence system perform ance greatly．V oltage space vector control technology can obtain approxim ately round m agnetism chain orbit，reducing m otor’S low frequency pulsation and harmonic losses．It can be adopted tO adjust the speed torque．A full digital control system for inductive motor has been designed，which uses 80C196M C single—chip as controller and IPM (intellectual power module)as m ain power devices． The softw are program and hardw are circuits of the control system are presented．T he advantages of the system ，such as im proving the voltage utility ratio and suppressing current harm onics，have been proved by M A T LA B sim ulation． Key words：induction motor；variable frequency variable speed(VFVS)；voltage space vector；simulation 1 前 言 对 系统 性能 影 响大 。近年来 出现 的电压空 间矢量控 制技 术 ，采用 磁链 环路 通 过对 电压 型逆变 器 的输 出 交 流 异步 电动 机 因其 结构 简 单 、价格 便 宜 、维 状 态 即 电 压 矢 量 的 控 制 ，可 以得 到 逼 近 圆 形 的 磁 链 护方 便 ，在 生 产和 生 活 中得 到 了广 泛 的应用 。随 着 轨 迹 ，以减 小 电机 低频 转 矩 脉 动 和谐 波 电流损 耗 ， 微 电子技 术 、电力 电 子技 术 、微 处 理 器 技术 的不 断 达 到对 速度 转矩 调整 的 目的 。该 技术 对磁 链进 行直 发展 和 普 及 应 用 ，电动 机 的 调速 从 直 流 发 电机 一 接反 馈 ，仅 用 到 电机 定 子 电 阻一 个 参 数 ，对 系 统参 电 动机组 调速 、静止 晶 闸管整 流器 直流 调压 调速 逐 数依 赖小 ，运 算 比较简 单 ，便 于 实现 全数 字化 ，因而 步过 渡到 笼型异 步 电动机 变频 调速 ，而且 随 着控 制 目前 正受 到各 国学 者 的重视 。 技 术 和 控 制 手 段 的 不 断 提 高 ，变 频 调 速 又 由 U／F(电压 ／频 率 )恒定 控 制 PWM 变 频调 速 发展 到 了 矢 量 控 制 变 频 调 速 。传 统 的 矢 量 控 制 技 术 的 缺 2 全 数 字 式 SVPW M 变 频 调 速 系统 总 体 构 成 及 硬 件 实 现 点是 对 电动机参 数依 赖 大 ，电机运 行后 的参数 变化 采 用全控 电力 电子器 件 IPM 作 为开关 元件 配 曲 璃 日 蝴 ．'nn —n 一1矗．楱 同 口 蝴 ． n —n矗一'R 

维普资讯 http://www.cqvip.com 第 18卷 第 1期 章 丽 红等 ：全 数 字 式 SVPW M 控制 的 异 步 电 动 机 变 频 调 速 系 统 ·59· 以 高 性 能 的专 用 微 控 制 器 Intel 80C196MC，可 构 特点 之 一 。这 一 装 置 大 大 简化 了用 于 产 生 SPwM 成 高性 能 SVPWM 调 速 系 统 。本 系统 的 总体 构 成 波形 的控制 软件 和外 部硬 件 ，特 别适 应 于控制 三相 框 图如 图 1所 示 ，它 的主要 组成部 分 有 ： 交流感 应 电机 。 1)主 电路 以 IPM 作 为 主开关 器件 ，整体 安 2．2 智 能 功 率 模 块 (IPM ) 装 在一 块风冷 式齿 状散 热器 上 ，为减 少分 布 电感效 在 电力 电子 变 流电路 中 ，电力 电子器 件必 须有 应 ，主 电路采用 铜板 架空 连 接 。 驱 动 电路 、保 护 电路 的配 合 ，才 能按 人 们 的 要求 实 2)单片 机 主控 板 负 责 PWM 波和控 制 信号 现 一 定 的 电 力 控 制 功 能 。而 集 成 电 力 电 子 器 件 的 产 生 。 IPM 是把 IGBT 芯 片 、二极 管 芯 片 、控 制 和驱 动 电 3)IPM 驱 动 板 主 要 由 3 只 TLP一1、3只 路 、过压 、过 流 、过热 和 欠压 保 护 电路 、钳位 电路 以 TLP一2驱 动 模 块 组 成 ，兼 有 快 速 过 流 检 测 与 保 护 的 及 自诊 断 电路 等 封 装 在 一 起 构 成 的一 种 智 能 化 功 能 。 IGBT 模 块 。本 文 所 采 用 的 IPM 是 三 菱 公 司 的 4)故障 检测 、保 护 和显 示 电路 主要 包 括 直 PM 15CZF120，它 包括 6个 IGBT 及其 各 自的驱 动 流侧 电压 、电流 的检测 和 调理 电路 以及各 种辅 助 动 保护 电路 ，其 中的 IGBT及 续流 二极 管 的额定 电流 作 开关 。 均 为 15 A，阻断 电压 为 1200 V。用 它来构 建 主逆变 5)电 源 板 为 以上 各 板 提 供 多 路 直 流 电 源 。 电路 ，简 化 了 电路 结构 ，同时也 提 高 了 电路 的可靠 电 压 、 电流 、 速 度 检 测 PO，P1 P2 Pw M T 1CLK T lD IR 整流桥 广·—] 三相电源 逆变桥}=； M、)f光码盘 A D 『l_ P3 74LS373卜_T——叫 27 1 28 8279~ 盘 显 示 P4 图 1 变 频 调 速 系统 的 总体 构 成 框 图 Fig．1 Block diagram of VFVS system 2．1 80C196M C 单 片 机 性 与 稳 定 性 。 3 SVPW M 变 频 调 速 系统 的控 制软 件 与 仿 真 研 究 3．1 系 统 控 制 软 件 的 组 成 1)主程序 模块 整 个软 件共 分两 大部 分 ：主程序 模块 和定 时器 中断模 块 。其 中主程 序 模块 如 图 2所 示 ，主要 由初 始 化模 块 和循 环 扫描模 块 两部分 组成 。 2)定 时器 中断 服务程 序 在 软件定 时器 中断服务 程序 中 ，要 查找 空 间矢 量 表 和 零 矢 量 作 用 时 间 表 ，这 两 个 表 都 是 利 用 MatLab仿 真生 成 的 数据 ，通 过 自己编写 的数 据处 理程 序 自动生 成 的 ，避 免 了烦 琐 的数据 处 理 过程 。 MCS一96系列 16位单 片 机 特别适 用 于各类 自 如 图 3所 示 。 动控制 系统 ，如 工业 过程 控制 系统 、伺服 系统 、分 布 3．2 SVPW M 变 频 调 速 系 统 的 仿 真 研 究 式 控制 系统 、变 频调 速 电 机控 制 系 统 。这 些 系统 通 系统 中输 入信 号模 型 图如图 4所示 。通 过改变 常要 求 实时处 理 和实 时控制 ，该 系列单 片机可 以大 阶跃 信 号 的属性 参 数 来改 变 输 入 信号 的频 率 和幅 大 提 高系统 的实 时性 ，CPU操作 直接 面 向 256字节 值 。图 5给 出 了产生 SVPWM 的整个 框 图 。图 6、图 的寄 存 器 阵列 ，从 而 消 除 了一 般 CPU 结 构 中存 在 10分别 是频 率 为 10 Hz、50 Hz时 的输 入 波形 图 ，从 的累加 器瓶颈 效应 ，提 高 了操 作 速度 和数 据吞 吐能 图 中可 以 看 出它 们 的频 率 和 幅值 各 不 相 同。图 9、 力 ，有一套 效率 更 高 、执 行速 度更 快 的指令 系统 。此 图 13分别 为 电 动 机 的转 速 波形 ，从 图 中可 以看 出 外 ，MCS一96系列 还 集 成 了 丰 富 的外 设 ，包 括 定 时 其 稳 定时 的大 小与 电机 给 定转 速 1425 r／min的 比 器 ／时钟 器 、标准 I／O 口、串行 口、A／D转 换 器 、高 例 和逆 变 器 输 出 电压 波 形 的频 率 与额 定 频 率 50 速 I／O 口、脉 宽 调 制 器 PW M、波 形 发 生 器 Hz的比例 大致相 等 ，真正 达到 了变 频调 速 的 目的 。 W FG(wave form generator)等 。 为 画 图方 便 图 5中的输 入 信 号 采用 等 效 的三 相 对 片 内 波 形 发 生 器 W FG 是 80C196MC 独 具 的 称正 弦 波 ，但 仿真 时仍 采用 了 图 4的模 型 图 。 

·6O · 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 2006年 2月 维普资讯 http://www.cqvip.com 于 自然 采 样 的 三 角 波 和 正 弦 波 相 比较 产 生 正 弦 PWM 的方式 ，它 的比较 点对 应 的 是空 间矢 量 的作 用 时 间 7’ 和 丁 ，在 这 个 系 统 中 三 角 波 的 周 期 为 0．02 S，其 幅 值为 0．01 V。 软 件 定时 器 0中断 服 务 程 序 形 成数 据表 基 址 查 出 当前 矢 量 零 矢 量 ? Yes 测 试所 查 矢 量 的 各 位 是 1或 0，利用 Hso输 出 对 应 的 高 低 电平 查 零 矢 量表 ，确 定 零 矢 量 的 作用 时 间 输 出 0或 1 一 个完整周 ===>———— Yes 设 定 边数 、矢 量 表 、零 矢 量 表 的 基址 、查 表 指 针 清 零 结 束 图 3 软 件 定 时 器 中断 服 务 程序 Fig．3 Flow chart of software tim er interrupt service routine 主 程 序流 程 程 序 初始 化 a．清 除 中 断屏 蔽 、 中断 悬挂 等命 令 字 ， 开放 软 件 定 时 器 0 b．设 置 基 频 ，上升 、下 降 时 间 、 边 数 等参 数 的 默 认 值 读 取 数 据 存储 器数 据 据合法 ：≥ 丫 ／ 使 用默 认 值 按启动? 二==>—_二二= 启动 二≥ ● Yes 、 ／ 启 动 软 件 定 时器 0 频 率从 5 Hz逐 渐 上升 到 基 频 同 时显 示 板 指 示 当 前频 率 有 故 障 ? 有 功 能 键 按 下 ? ～ ■ 关 中断 、 l停机 N O 上 升键 程 序 下 降 键 程 序 移位 键 程 序 确 定 键 程 序 频 率值 合 法 性 校 验 I 墨旦 J 图 2 主 程 序 流 程 图 Fig．2 Flow chart of the m ain program 3．3 仿 真 结 果 仿真参 数 算法 为 odel5s，选 取 可 变 步 长仿 真 ， 最 大 步长 为 0．001，带 11．9 N ·m的 负载直 接启 动 。 在输 入 三相 电压 为 220 V、频 率 分别 为 10 Hz和 50 Hz时 的 SVPWM 仿 真结 果如 图 6～ 13所 示 。在 本 系统 中电机 的相关 各参 数值 分别 为 ：P 一 2．2 kW ， ／ 一 50 Hz，V 一 220 V ，n 一 2，n 一 1425 r／min，T 一 11．9 N ·m ，R 一 0．435 Q，R，一 0．816 Q ，J 一 0．089 kg · m 0，Ls 一 4 m H 。L， 一 2 m H ，L 一 69．31 m H 。 其 中 Tcml是 空 间矢量切 换 点 ，一 定 频率 和 幅 值 的三角 波与 Tcm 相 比较 ，一 旦 Tcm 与 三角 波的值 相等 时 ，就改变 PW M 波 形 的状态 。它不 同 U a，Uab1 图 4 输 入 信 号模 型 图 Fig．4 D iagram of input signal m odel 其 中 图形 单 位 分别 为 ：横 轴 为时 间 t(s)，纵 轴 分 别 为 电压 “(V)、转 速 n 。 (r／min)。其 中图 6、图 7、图 10、图 11中均 为 a、b、C三 相 的输入 输 出波形 。 图 8、图 12是 根 据扇 区确 定 的电压 空 间矢 量 切换 点 T ～( 一 1，2，3)其 中之一 Tcml，其 横轴 也 为时 间 t，单 位是 秒 (s)。 当给定 频 率为 10 Hz时 的仿真 波形 如 图 6～ 9 所示 。当给定频 率 为 50 Hz时 的仿 真波 形如 图 1O～ 13所 示 。 

第 18卷 第 1期 章 丽 红 等 ：全 数 字 式 SVPWM 控 制 的 异 步 电动 机 变 频 调 速 系统 维普资讯 http://www.cqvip.com 图 5 产 生 SVPW M 的 整体 框 图 Fig．5 Block diagram of SVPW M generator 100 0 — 100 100 毛 0 — 100 l00 0 图 6 Fig．6 0．8 0．9 l 1．1 1．2 1 ． 3 1．4 t／s 图 7 f = 10 Hz时 逆 变 器 输 出 的 三相 电压 波 形 图 Fig．7 O utput 3-phase voltage waveform s of the inverter with f 一 10 Hz > 竹 0 一 图 9 f一 10 Hz时 转 速 仿 真 波 形 图 Fig．9 Waveform of motor speed with f一 10 Hz 400 0 - 400 400 > 0 - 400 400 0 - 400 3．24 3．26 3．28 3．3 3． 32 f／s 图 l0 f = 50 Hz时输 入 三 相 电压 波 形 图 Fig．10 W aveform s of 3-phase input voltage signals with f一 50 Hz 400 0 — 400 400 之 0 - 400 ．b相 0．8 0．9 1 1．1 1．2 1．3 400 0 — 400 0．8 0．9 1 f／ s l·1 1．2 1．3 圈 8 f一 10 Hz时 Tcml仿 真 波形 图 Fig．8 Waveform of Tcml with f一 10 Hz 图 ll f一 50 Hz时 逆 变 器 输 出的 三 相 电压 波 形 圈 Fig．1 1 Output 3-phase voltage waveform s of the inverter with f 一 50 Hz 

维普资讯 http://www.cqvip.com ·62· 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 2006年 2月 12 lO 8 三 6 4 2 o 一 2 但 由于没有 加入 波形 控制 技术 ，输 出波 形畸 变仍 较 大 。若在 控 制软件 中引入抑 制 中点 电位偏 移 的控 制 策略 ，逆 变器 的 输 出 电 流波 形会 有所 改 善 的 。这 有 待于在 今后 的学 习 和工作 中不断地 加 以完 善 。 根 据 仿 真 的结 果 ，证 实 了这 一 方案 的可 行 性 ， 同时也 为 以后 的实 践过 程提 供 了很好 的理 论依 据 。 图 l2 f： 50 Hz时 TcmI的 输 出波 形 参 考 文 献 ： f， Fig．12 Output waveforms of Tcml with f 一 50 Hz [1] IPM User’S M anual rz]．三 菱 公 司 (Mitsubishi Corporation)，1998． [2] 张 燕 宾 (Zhang Yanbin)．SPWM 变 频 调 速 技 术 (SPW M Variable Frequency Variable Speed Technology)I-M ]．北 京 ：机 械 工 业 出 版 社 (Beijing： China M achine Press)，1 997． [3] 朱 典 旭 ，张 锦 生 ，赵 雅 莉 ，等 (Zhu Dianxu，Zhang Jinsheng，Zhao Yali)．空 间 矢 量 控 制 的 大 容 量 IGBT PW M 变 频 调 速 装 置 研 究 (Research on high capacity IG BT PW M V V VF equipm ent of voltage space vector contro1)EJ]．江 苏 机 械 制 造 与 自动 化 (Jiangsu M achine Building and Automation)，2000， 3：36— 39． [4] 8XC196M C User’S Manual Ez]．Intel Corporation， 1992． Es] 徐 铁 柱 ，徐 国 卿 (Xu Tiezhu，Xu Guoqing)．基 于 DSP 的 交 流 电 动 机 变 频 调 速 控 制 系 统 (Variable t／S 图 l3 f 一 50 Hz时转 速仿 真 波 形 图 Fig．13 W aveform of motor speed with f ： 50 Hz 从 仿真 曲线 可 以看 出 ，上 升时 间约 为 0．1 S，超 调 很小 ，在 0．3 S以内速度 、电压和 电流 已基本 达 到 稳定 。负 载变 化时 波动较 小 ，并 很快 达 到稳定 ，对 给 定值 具有 良好 的动 静态 跟踪 能力 ，控制 系统 的各 个 部 分 能 协 调 运 行 。 计算 0．8～ 1 S区间 的转速 均方差 std大约 为 0．54，说 明 SVPWM 的转 速脉 动小 ，这是 由于转 矩 frequency control of A C induction motor based on 脉 动变 小 的缘 故 。 4 结 语 DSP)EJ]．电 力 系 统 及 其 自动 化 学 报 (Proceedings of the CSU —E PSA )，2002，14(6)：69— 73． 由仿 真结 果可 以看 出，SVPW M 控制 方式谐 波 作 者 简 介 ： 优 化程度 高 ，消除 谐波效 果 比传统 SPWM 要 好 ，可 以提高 电压 利用率 ，并 可 以得到 较好 的输 出波 形 。 章丽 红 (1974一 )，女 ，硕 士 ，讲 师 ，主 要 从 事 电 力 电 子 与 电力 传 动 方 面 的 教 学 工 作 。Email：molve—zhang@sina．com