变压变频控制是电机控制最常见的方式之一。在控制过程中定子侧电压和频率的比值保持恒定，因此在整个工作区间内定子磁场的大小保持常值，电机可以在恒转矩状态下进行工作。控制软硬件实现简单，性价比合理是变压变频控制的优点，这使得变压变频控制广泛应用于实际中^[1]。DSP作为一种数字控制芯片应用得越来越普遍，本文设计了一种感应电机空间矢量脉宽调制恒压频比控制的数字实现方案，该方案采用美国TI公司生产的电机控制专用DSP芯片TMS320F2812，其优点是运行稳定可靠、系统结构简单、控制实时性强^[2-4]。

1 SVPWM基本原理

谐波含量少、直流母线电压利用率高、便于数字实现是SVPWM的优点，在高性能的交流电机控制中SVPWM成为一种首选的PWM方案。与SPWM不同，SVPWM从电机的角度出发，把电源的逆变系统和电机看作整体，在电压源逆变器提供电源时，以三相对称正弦电压产生的圆形磁链为基准，选择逆变器开关的状态产生PWM波形，得到接近圆形磁链轨迹的实际磁链，通过控制圆半径的大小来控制幅值^[5]。

三相逆变器有3个功率开关，而且上下桥臂的开关状态是互补的。这样逆变器的开关状态可由3个桥臂的工作状态来描述。可以知道其有8种开关矢量组合，称为空间电压矢量。当所有桥臂同时开或者同时关时，对应的电压值为0，称为0矢量。分析知三相逆变器合成的空间电压矢量u在复平面内以ω的角速度旋转。

空间电压矢量的相位连续变换时，电机的定子磁链ψ也在连续变换，它们的关系如图 1所示。当空间电压矢量做圆周旋转的时候，正六边形是定子磁链ψ运动的轨迹。多个电压矢量被逆变器同时输出时，磁链矢量将成为正多边形，不断接近圆形^[6-8]。

在图 1中，如果U_out是输出参考电压，且在0扇区区内，则由(t₁/T_PWM)倍的U₀和(t₂/T_PWM)倍的U₆₀合成可得到U_out。电压幅值由其幅值代表，输出正弦电压的速度是旋转角速度，其中U_out作用的时间是T。若1~5扇区都是以这样的原理来获得U_out，并且使获得的U_out幅值相等，就会得到正多边行的磁链轨迹，如果T足够小，这个轨迹就近似于圆形。

如果要确定合成U_out所用到的空间电压矢量，需要判断出U_out所在的扇区。可将U_out分解到αβ坐标轴上，用V_a、V_b和V_c来表示所在扇区，其关系表示如下：

再设定3个变量M、N、K。当V_a>0时，M=1；当V_a≤0时，M=0；当V_b＞0时，N=1；当V_b≤0时，N=0；当V_c＞0时，K=1；当V_c≤0时，K=0。

扇区序号：

当确定了U_out所在扇区，就能确定合成U_out的相邻电压矢量。时间t₁和t₂决定了所得到的轨迹是否为理想轨迹。为了说明如何得到相邻电压空间矢量的作用时间t₁和t₂，用U_x来代替U₀，用U_x+60代替U₆₀。

由式(2) 得到线性时间组合成的电压空间矢量U_out：

再根据其三角关系解得：

2 异步电机变压变频控制的实现

图 2为采用转速开环恒压频比的异步电机变压变频系统控制方案。

基于DSP的变压变频控制系统由主电路、控制电路和辅助电路组成。功率电路包括整流电路、逆变电路、驱动电路。其中，直流电由直流稳压电源提供，逆变部分采用桥式电路，采用电机驱动专用预驱动芯片L6386和MOSFET；控制系统由TMS320F2812芯片及其外围电路组成，用来完成Ramp模块、V/Hz模块及SVPWM产生等功能^[9-12]。

系统参数可以由上位机通过RS212接口传给下位机，通过A/D转换得到频率给定信号，用加减速控制模块(Ramp模块)计算当前应当发出的电压频率。因为在启动过程中不能将给定频率的电压突然加到电机上，所以启动和停止时的输出频率需要利用加减速控制模块来调节，即启动时使电压由0逐步提升到所要求的频率，停止时将频率由当前值逐步降低为0。然后利用V/Hz模块计算当前频率下输出电压的值，保持电机的气隙磁通近似恒定。最后一起传递当前的频率信号和电压信号给SVPWM发生模块，以产生驱动逆变器的6路PWM信号，从而控制异步电机的转速。

3 系统软件的实现

基于硬件可以编写电机控制系统软件，这里系统软件采用以C语言编写为主的模块化结构设计，可以充分满足一些底层操作嵌入执行效率较高的汇编语言的实时性要求^[13]。

系统软件由主程序和中断服务子程序组成，如图 3所示。

其中一系列的初始化可以由主程序完成，并对中断使能；仅在系统复位和程序开始时主程序执行一次。定时器下溢中断子程序为所需要的中断子程序，它能完成计算下个开关周期输出的脉宽的任务。首先为中断现场保护，保护重要的寄存器，如累加器、状态寄存器等。完成一次计算后再判断是否到达下一个周期，达到下一个周期后读取新的定时器常数和新的电压输出给定。最后为现场恢复和返回。下面具体介绍一下Ramp模块和V/Hz模块。

Ramp模块即加减速控制模块，本程序使用一个DSP的32位定时器来完成电机的加减速控制。定时器只有在上位机下达的命令或运行频率改变时才启动，当电机按照上位机给定的状态稳定运行后，定时器禁止操作。当电机从停止到旋转时，定时器中断服务程序中运行频率逐渐加1个单位量，当电机运行到给定频率时，定时器停止工作。当电机从旋转到停止时，定时器中断服务程序中运行频率逐渐减1个单位量，当减到0时，使6路PWM输出为高组态，从而停止电机运行。电机加速时的情况和启动与停止的情况类似^[14]。

V/Hz模块的主要作用是根据输入的频率产生满足恒压频比控制规律的电压。根据额定频率下的额定电压可以得到斜率，然后再根据其他条件确定出不满足条件时的最小频率，低于此频率时电压保持恒定。

4 实验结果

搭建了以TMS320F2812为主控芯片实验平台，进行了空间矢量脉宽调制恒压频比控制实验。本实验的负载是鼠笼式三相异步电机，参数为：额定功率为250 W；额定电压为380 V；额定电流为0.81 A；额定频率为50 Hz；额定转速为1 400 r/min；级数为4。系统程序为标么值控制系统，其中的电压值表示的是峰值而不是有效值，通过理论计算得SVPWM的电压利用率是1/1.732，所有实验都是在电机空载的情况下完成的。PWM采样频率为20 kHz，死区时间3.2 μs，直流电压源供给稳压直流电，经过调试系统图 1中所示的最小频率取为2 Hz。

在调试程序的过程中，可以用10 kΩ电阻和0.2 μF的无极性电容对DSP的PWM输出波形进行滤波，相关波形用示波器观测。U、V、W三相相电压波形的相位差分别是120°，线电压波形为正弦波。完成程序的调试后，给主电路上电进行试验。当给定的速度是0.05时，定子U相和V相线电压输出如图 4所示。

由图 4可以看出电机U相和V相线电压为不同占空比的高频脉冲，并且波形保持平稳，没有过高的尖峰，这可以降低谐波含量，减轻电机的振动，提高电机运行的稳定性。电机的线电压波形和理论分析的结果基本一致，该系统设计的正确性和有效性得到证明。

5 结论

1) 本系统通过TMS320F2812采用空间矢量脉宽调制方式对异步电机进行恒压频比控制，具有较高的开关频率和较少的谐波分量，而且硬件实现简单、稳定可靠、实时性强。

2) DSP的高速运算能力和丰富的片上资源被充分利用，使得系统的控制结构得到化简，并且提高了稳定性和可靠性。

3) 本系统有效地用于电机的变压变频控制，提升了电机的性能，具有良好的应用价值。在实际应用中为了进一步提升系统的静、动态性能可以增加速度闭环控制环节。

该系统使用可进行数字控制的DSP，不仅简化了硬件电路，克服了模拟电路中参数温度漂移的缺点，而且控制灵活并适合进行先进控制，使得所设计产品的性能可靠并且可以批量生产，使开发周期得到缩短。