2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛
项目报告
题 目： 空间矢量优化算法控制的异步电机变频调速器 学校： 浙江大学 指导教师： 卢慧芬 组别： 专业组 应用类别： 先进控制类
平台： C2000，F28035 参赛队成员名单（含每人的邮箱地址，用于建立人才库）： 杨騉 yangmakun@qq.com 王群 qunge12345@126.com 沈一凡shenyf0811@gmail.com
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空间矢量优化算法控制的异步电机变频调速器
摘要（中英文）
我们设计的异步电机变频调速器以TMS320F28035芯片为控制核心，通过输出三相PWM波控制智能功率模块IPM驱动三相异步电机。我们使用空间矢量SVPWM算法，并对其进行了优化。采用检测反电势的方法省去了昂贵的光电编码器，大大节省了成本。同时开创性的研发了自动根据运行环境调节的自适应变频算法，使我们的变频调速器可以在电网条件恶劣的乡村山区工作，由此该变频器已被一家民用水泵生产企业预订。
关键字 变频器 TMS320f28035 IPM SVPWM
In our design, the asynchronous machine inverter based on the chip of TMS320F28035 drives the three-Phase asynchronous machine by sending three-phase PWM waves to the IPM, which is short for the
Intelligent-Power-Module. The SVPWM (space vector pulse width modulation) strategy is applied to our control algorithm and we optimize it mainly in two aspects. Firstly the inverter detects the speed by measuring the Back EMF instead of installing an expensive photoelectric encoder for costs reduction.
Secondly, by means of our novel adaptive frequency conversion control strategy, the invert can be used in areas with poor power supply condition such as village and mountain areas. Now this design is booked by a water pump manufacturing enterprise.
Keywords：Inverter TMS320f28035 IPM SVPWM
1. 引言
由于地下水位下降，农村和山区的水井需要打得更深才能打到水。水井深了抽水便成为问题。一般的水泵的抽水深度只有五到六米，遇到深井就力不从心。水的初速等于叶片转速，设为v，根据自由落体定理，水的上升高度为0.5*v2/g，可以得出水上升高度和速度平方成正比。叶片速度正比于电机转速和叶片半径的乘积，想要提高叶片速度可以通过增大叶轮半径或者增加电机转速实现。但是叶片半径受到水井直径的限制无法增加，所能改变的只有电机转速。如果电机转速增加一倍，抽水深度就变为原来的四倍，深水井抽水的问题就可以解决了。
由于异步电机的转速为同步转速×(1?转差率)，所以电机转速小于同步转速。同步转速由频率决定：n0=60f/p。因此在工频电下，两极电机转速小于3000转，四极电机小于1500转。再想增加电机转速只能通过使用变频器发出高于工频的三相电驱动电机。
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在农村和山区通常只有单相电，而单相异步电机的效率只有75%左右，远远小于三相异步电机，通过使用变频器，可以生成三相电驱动三相异步电机，是整个水泵电机系统的效率大大增加。
由于打井的位置常常远离输电线路，一般水泵的供电线路有500~1000m长，线路的压降很大，据测算电机的端电压往往只有150V。于是电机的正常启动变得困难。因此我们需要设计一款能够适用于恶劣电网环境，可以在低电压条件下启动的电机变频调速器。
2. 系统方案
2.1 性能指标
我们所选用深井水泵用异步电动机的主要性能参数： 三相2极鼠笼异步电机，额定功率1.1KW，额定线电压220V，额定频率50Hz，最大频率110Hz。
根据所要驱动电机的要求，本着发挥硬件最深潜力，又要以实用为主的原则，我们为变频器定下如下性能指标： 额定电源额定电源额定功率 过负荷能力 输入电压输出频率输出频率电压 频率 范围 范围 变化精度 1PH*220V 50Hz 3KW 150% 30秒 90~230V 0~200Hz 1Hz 开关频率 <=10KHz 频率变化速度 再生制动力矩 控制方式1 控制方式2 PWM方式 2Hz/s 20% 恒V/F比 恒功率控制 空间矢量 2.2 总体介绍
我们设计了两种配置方法配置变频调速器。分别是实验室配置方式和产品配置方式。实验室配置方式使用功能强大的上位机调试控制软件，产品配置方式使用数码管和键盘进行傻瓜式的人机交互。本文中，我们将依照实验室配置方式来介绍。
本设计以稳定，高效，智能化为设计目标，在高稳定性硬件设计的基础上，极力发挥F28035的运算机能和控制能力。本系统由四个主要模块组成， 1、上位机控制软件，实现人机交互功能。 2、处理芯片TMS320F28035，即主控制器。 3、智能功率模块IPM。 4、三相异步电动机。
各模块之间的关系见下图。上位机使用RS-232串口将配置参数和运行方式发送给DSP，DSP产生SVPWM开关信号，控制智能功率模块IPM。IPM将整流得到的直流电压逆变为三相空间矢量电压，加载在三相异步电机上，控制电机转动。同时，DSP上的ADC模块将时刻监测直流电压和
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电流，经过程序运算，组成过欠压和过流保护模块。我们还使用GPIO输入引脚测量三相反电动势，经过运算测量电机转速，组成速度闭环。
整流桥，稳压电容直流电压检测直流电流检测直流母线电压运行方式PWM信号上位机设定频率TMS320F28035DSP电机运行状态短路故障信号三相反电势信号智能功率模块IPM驱动M三相异步电机
（图1 系统整体方案）
2.3 SVPWM空间矢量算法
SVPWM的基本原理是空间伏秒平衡原理。由于异步电机的三个开关量只能够组成8种离散状态，我们引入“单位时间内平均空间矢量电压”的概念，通过组合这8种矢量，合成一个在空间内以一定速度、一定幅值旋转的矢量调制波形。设Uu、Uv、Uw为异步电机三相a、b、c的电压空间矢量，则如图1
2有 Uout = Uu?Uvej2?/3?Uwej4?/33
?2?1?1??a???Uu Ud?????b??12?1Uv? ??????3?? ??Uw????c????1?12?
由八种开关状态我们构成空间矢量图，即图2。其中U000和U111为零矢量。空间矢量表这里省略。根据伏秒平衡原理，我们得到
?图2
?图3
Uref*T?Ux*Tx?Uy*Ty?U0*T0
其中Uref 为希望得到的电压矢量；T是采样周期；Tx、Ty、T0分别是两个非零电压矢量 Ux、Uy 和零电压矢量 U 0在一个采样周期的作用时间；其中U0可以是U000或者U111 。本设计采用七段式SVPWM，如下面左图
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图4图5
由右图我们可以根据伏秒平衡原理，推导出在一个时间周期内，相邻两个空间电压矢量为合成期望的电压矢量所分别作用的时间。
t1Uavsin(60??)U1 = T 1
sin(120)
式中, Uav为期望的电压矢量; U1和U2为两个相邻的空间电压矢量,幅值上
2UdU1 = 。由此可得
3
UavUav t1 = 3 Ud sin (60°-θ)T ，t2 = 3Udsin (θ) T
在空间坐标系中，每隔60°我们划分一个扇区，从0°到360°分别为1、2、3、4、5、6扇区。经过电压合成公式推导，我们得到这六个扇区的时间占空比公式：
33扇区1：t100?cos(?)T?sin(?)T， t110?3sin?()T
223333t100?cos(?)T?sin(?)T，?()T?sin?()T 扇区2： t010??cos222233?()T?sin?()T 扇区3：t010?3sin(?)T， t011??cos2233sin(?)T， t001??3sin扇区4：t011??cos(?)T??()T
223333sin(?)T， t101?cos(?)T?sin(?)T 扇区5：t001??cos(?)T?222233?()T?sin?()T 扇区6：t101??3sin(?)T， t100?cos22其中T = Ta * Uav / Ud，Ta为PWM计数周期，Uav为期望的空间矢量电压
长度，Ud为直流电压。
而由这六个扇区的占空比公式，我们就可以得到六路PWM波的具体占空比了。例如在扇区1，我们将尾标有两个1的t认为是t1，尾标有一个1的认为是t2，则a、b、c三相PWM的具体占空比为
Ta = t0 + t1 + t2
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