变频器从基础到精通(控制篇)

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1、通用变频器中基于 DSP 的数字控制器实现 引言 变频调速系统的关键，就是要没计一个合理的变频器，而它的核心就是变频调速 系统的数字控制器。变频器的数字控制器包括信号的检测、滤波、整形，核心算 法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能。 变频器数字控制系统的硬件部分，包括微处理器、接口电路及外围设备，其中微 处理器是系统的控制核心，它通过内部控制程序，对从输入接口输入的数据进行 处理，完成控制计算等工作，通过输出接口电路向外围发出各种控制信号，外围 设备除了检测元件和执行机构，还包括各种操作、显示以及通信设备。本文采用TI公司的TMS320F240自行设计了一款用于高速电机调速系

2、统的数字控 制器，频率可以通过键盘数字给定或者模拟给定，同时对它的功能和技术做了简 要的分析，并给出了电机在18000r/min稳态运行时控制器的输出波形。1 数字控制器的硬件结构框图和工作原理数字控制器的硬件以TMS320F240定点DSP为CPU, CY7C199为外部数据和程序存 储器，数据和程序存储器各 32K；16 路的模拟/数字输入通道，其中一路可以用 来进行模拟频率给定；使用了 8位数字I/O 口，可以用键盘通过I/O 口来进行数 字频率给定； 4路12位的数字/模拟转换通道，用于电机输出信号控制； RS232 和SPI系列兼容接口，其中将SPI用作变频调速时电机频率的LED显示

3、，将SCI 口扩充成RS232接口，其功能布置框图如图1所示2.3 RS232的串行口电路设计RS232是美国电子工业协会于1960年发布的串行通信接口标准，目前应用广泛 的是 RS232C 和 RS232D。RS232C的标准连接为DB25.但在实际应用中采用非标准的DB9连接，实际应用 中根据需要对定义的引脚进行取舍。RS232C电气特性最大的特点是采用了负逻 辑，逻辑l的电平是-3V-15V，逻辑0的电平是+3V+15V，因此，在使用中有一 个电平转换接口的问题。本文中采用自升压的集成芯片MAX232C来构成，只由+5V 电源来供电，电平转换所需的10V电源由片内电荷泵产生。在控制器做好

4、以后， 进行了计算机的串行通信接口（SCI）检验，数据通信收发正常，能够稳定工作。2.4 D/A输出功能块的设计在数字控制系统中，D/A和A/D电路是必不可少的，根据各种运用场合不同，系 统对D/A、A/D的速度要求也不一样。本文中使用的是并行输入的D/A芯片 DAC7625，它是12位数据并行输入，4路模拟输出的D/A转换器。其建立时间是 10s，功耗20mW，电源可以采用单电源+5V和双电源5V供电，广泛应用于电 机控制和数据采集等。数模转换器DAC的数据输入来自DSP的高12位，通过 74LS245送到DAC7625的数据端，采用单电源+5V供电，参考电压VHEFH使用精 密稳压器件提供

5、的+2.5V，VHEFL模拟地，其输出通 过运算放大器 TLCH2272 进行放大，输出范围为 0+5V。2.5键盘输入接口电路和LED显示电路设计 键盘和七段LED显示器是微型计算机系统最常用的输入、输出没备。它是实现人 机之间进行信息交换的主要通路。键盘的功能就是把人们要处理的数据、命令等 转换成计算机识?e的二进制代码，即计算机能识别的符号；七段LED显示器则 是把计算机的运算结果、状态等代码转换成为人们能识?e的符号显示出来。键 盘是计算机系统的主要输入没备，特?e是在微处理器中，键盘设汁成为必然。 本文在设计时考虑到DSP处理速度的快速性，对于键盘去抖动环节，采用了硬件 延时电路，具

6、体电路如图 2 所示。图 2 ：数字控制器中 DSP 键盘输入接口电路。七段LED显示器有静态显示和动态显示两种连接方式。动态扫描方式节省硬件， 常用的BCD七段译码驱动和动态扫描驱动电路有两种，如Intel 8279、Max 7219 等，控制器中采用 MAX7219 芯片。 DSP 具有一个与外设打交道的串行接口 SPl， 这为串行接门显示提供了方便。MAX7219足一种串行的共阴极LED数字显示驱动 器，内没多个控制和数据寄存器，其工作方式可通过编程灵活地设计，它是体积 小、功能强大、使用灵活方便的串行接口。应用中需要注意的问题就是， MAX7219 抗， EMI 能力比较差， 相对而言

7、用 MAX7221 比较可靠一点。另外一个问题是， 说明书中虽然说寄存器可以使用任意数字，比如说数据格式中的高 4 位用的是 XXXX来表示，但是，在实际应用中最好使用非零位，本文采用1111来表示，可 以增加抗干扰能力。另外，在串行数据线和电源中必须加适量电容，以提高抗干 扰能力，特别是电源尤其要注意，如果波动比较大的话， MAX72 19比较容易损坏。2.6 SVPWM脉冲输出模块的设计空间电压矢量SVPWM脉冲输出是数字控制器中的关键部分，电机调速或者逆变器 的频率就是由SVPWM波形来控制的。为了防止逆变器的上下桥臂直通，虽然在 DSP内部编程可以加入死区?技洌?但是用微处理器产生的S

8、VPWM脉冲可能由于程 序跑飞而造成控制混乱，为安全起见，采用GAL器件做了互锁保护电路，防止逆 变器同一桥臂上下器件的直通，数字控制器中使用的是Lattice公司的GAL16V8。3 软件设计 随着变频器产品的不断成熟，它的功能也不断丰富，可靠性也得到不断提高，从 而导致了其程序编制的复杂度和难度。本文设计的变频调速系统是针对实验室无 轴承高频电机用，主要完成了一些基本功能，比如频率的设定与显示，低速时转 距补偿功能等，程序不是特别复杂，设计程序近2000行，廾对程序进行了测试， 证明程序运行良好。本文变频调速系统中的整个程序主要由主程序、键盘程序、 显示程序、PWM程序、故障保护中断程序等

9、组成。3.l 主程序和故障保护中断程序 主程序是整个程序的最主要部分，它完成了变频器的主要功能，它的流程图如图 3(a)所示。程序初始化部分主要包括：I/O 口的初始化，波形发生器的初始化， 定时计数器的初始化，SPl的初始化，MAX7219的初始化等。读数到内部寄存器， 就是把常用的数据读人到内部寄存器，缩短DSP处理时间，更好地实现实?夹浴 I瓒夕德蚀?理，就是判断按键所给定的值，判别所设定的频率谁是最终的目标 频率。频率显示部分，就是把最终目标频率，按常规以千位、百位、十位、个位 通过LED显示出来。运行控制就是根据RUN键来决定是否启动电机运行。在硬件 设计上，采用的是富士公司的第三代

10、智能功率模块IPM，它的内部本身就集成厂过压、过流、过热、控制电压欠压、短路等的输出报警功能，通过光耦隔离后送入到DSP的外部中断源引脚PDPINT,完成相应的保护功能，具体流程图如图3(b) 所示。图 3：主程序和保护程序流程。3.2 SVPWM 中断子程序PWM 中断子程序是整个控制器工作的关键程序，空间电压矢量调制的完成就是靠 它来实现的，具体的流程图如图4所示。PWM发生程序主要完成如下的功能：电 机运行时频率的动态显示，根据主程序中所给定的目标频率，可以得到角速度 3，3经过积分运算可以得到usref的角度0，然后计算usref在两相静止坐 标系a，P轴上的投影usa及usp，有了

11、0可以同时计算出参考电压矢量所 在的扇区/N，根据已知量由公用值求取两相邻电压矢量的作用时间Tl、T2和T0， 然后给DSP内部的3个全比较寄存器CMPRx (x=1，2, 3)进行赋值，产生相应的 5VPWM 波形。4 实验结果 根据前面介绍的系统硬件电路和软件控制算法，对制作的原理样机进行了实验研 究。实验测试了异步电动机空载稳态运行情况，以此来检测原理样机的可行性，对实验结果进行了波形记录，300 Hz稳态运行时其PWM控制波形和测得的异步 电机实测线电压波形如图 5 所示。IHMMlBMHlBiOlMii 我制低号EWM. PWM.段Ptt Mi -PUrMi的渡形图 5：300Hz

12、时控制器输出的控制波形和实测电机线电压波形。实验用高频电机的参数如下：额定电压Un=220V,额定电流In=1.5A，额定频率f=400Hz,异步电机的极对数 =1,额定功率Pe=800W,额定空载电流0.75A。5 结语以 TMS320F240 数字信号处理器为核心构成的数字控制器是一个信号处理系统, 该系统可以完成信号的检测、滤波、整形,核心算法的实时完成以及驱动信号的 产生,系统的监控、保护等功能,相对于一般的单片机构成的系统,它的处理速 度快、实时性能比较好,也易于选择和配合,同时集测量、监控、保护于一身, 可与上位机通信,具有很高的使用价值。基于DSP控制的三相AC/AC变频器控制方

13、案的研究引言AC/AC 变频器是指直接将较高固定频率的电压变换为频率较低而输出电压幅值 可变的变换器。为了使输出电压的谐波减到最小,要求在交流传动中应用的变频 器输出电压的波形尽可能接近于正弦 , 那么就要对反并联变换器的触发延迟角 连续进行交变的相位调制。近年来,微处理器的迅猛发展使数字化的交 - 交变频器在电力拖动中的应用日 益广泛，本文以TI公司的DSP芯片TMS320F240为核心来研究三相交-交变频器 的各种控制方案 , 并且比较了各自的优缺点。本系统的硬件基础包括主回路、晶闸管驱动电路、I/O扩展电路、数据采集电 路。由数据采集电路产生换组的零电流信号和三相同步信号。捕获中断口CA

14、PINT1 每隔 60o(10/3ms) 捕捉电源的同步信号, 进入同步信号中断程序, 结 合I/O端口 PB1、PB2、PB3所处的状态，就可以确定相应的同步波波头值以判 相定管。I/O端口 PCO、PCI、PC2检测三相电流的过零检测信号，当过零信号有 效时， 进入相应的换组子程序 ， 进行换组。在触发脉冲产生的时刻，这时将编码 通过数据总线输出到I/O扩展电路以触发相应的晶闸管。以此硬件电路作为基础 介绍了几种控制方法编写程序， 并比较了各自的优缺点。1 逐点比较法图 1：比较法确定的换相时刻图。电网换相AC/AC变频器的交流输出电压是由其各相输入电压波形的各个片段组 合而成的。理想的调

15、制方法应能使输出电压的瞬时值与正弦波形的差值保持最 小。设要求输出的基准电压UR=Uosin 3比,输出的三相交流线电压波形为ul, u2,如图1所示。只要原先导通相u1比相 继导通相u2更接近要求输出的理想电压，即(uR-u1)(u2-uR)得 uR(u1+u2)/2,则ul应继续出现在输出端。当uR=(u1+u2)/2,则由ul转换到u2。 以自然换相点作为起点 , 则1 /2 (u i+n 2/2Umc o s 4当触发角为a时，要求73/2Umcosa=U0sin JOt因此， 对于脉波的交-交变频器， 以各晶闸管触发延迟角 a=0 为起点的一系列余弦 同步电压与理想输出电压的交点为触

16、发点，即可满足输出的电压波形与正弦电压 相差最小的要求。逐点比较法就是在DSP内存中制作表格，用查表法产生同步波和基准电压波， 然后不断地循环比较。当两者的值相等时，立即触发相应的晶闸管。只要DSP的 采样间隔取得足够小 ， 通过比较就可以得到精确的交点。2 直线近似余弦交点法查表法控制算法简单， 易于实现， 但占用很大的计算资源 ， 大量的时间用于比 较操作， 而一个输出电压周期中真正得到的交点很少 ， 并且要达到一定的精度， 需大量表格， 内存占用量较大。为了避免DSP不断循环查表耗费大量时间，利用其CAPINT1捕获公共同步信号， 每隔3.3ms向DS申请中断。在中断服务子程序中完成交点

17、的计算程序得到触 发角对应的定时值 ，并启动计数器。 在余弦交点法的原理中用直线代替余弦波 和电压基准波， 可以得到下面的图形 ，如图2所示 。图 2：近似直线的同步波形和基准波形。波形简化后， 以基准电压正相过零点为坐标原点建立坐标系。 设同步波的幅值为 1， 基准电压波的幅值范围为 -1，+1。要输出的电压幅值和频率给定后， 其波 形的斜率为4rf,同步波频率不变，它的斜率是固定的200。已知O点和触发 点 P 点的瞬时值分别为 x，y， 则解直线方程组:y=4rf (1)y=200t+b (2)可以求得 y=(50xrf)/(50rf)ta=(1-y)/200式中 ta 为延迟角 a 对

18、应的时刻。 将 DSP 的 TPINT1 周期设置为Tmin=20/29ms 用来表示最小的定时单位 ta 转换成相应的定时量。 在 TPINT1 中断中 ， 给各个定时变量进行减计数操作。 当减计数值到零时， 立即根据波头 值触发相应的晶闸管。具体实现可见参考文献。3 规则采样法在余弦交点法实现的 AC/AC 变频器中 , 有算法较为复杂和其输出的基波电压幅 值较小的缺点。从采样控制的角度看 ,对输入基准波的采样值只是在交点处才是 有效的 , 所以可以把各交点看成是采样点?。 因此 , 采样点是不等距、 不规 则的。由此使得输出波形的高次谐波成分加大。规则采样法是在每个采样点（选自然换相点）

19、采样基准波电压值 , 然后计算由该 电压值所对应的触发控制角 , 以该触发角触发下一相晶闸管。 如图 3 所示 , 上部是一组桥的输出电压波形图 , 下部是同步电压和基准电压的波形图。图 3 ：基准波采样点和同步波触发点。 系统在自然换相点采样基准波得到的采样值 , 如图中 1、2、3、, 各点 ,然后按这些采样值在同步电压波上计算相应的触发控制角 , 如图中 1、2、3、 ,各点 。 这些点就是要求的换相点。 本系统采用给定基准波幅值和频率 , 然后查正弦表得到采样点的基准波瞬时 值 。正弦函数按等时间间隔 （3.3ms） 离散化 , 依次存在 DSP 内存的 256 个单 元中。DSP响应

20、电源同步信号中断（即自然换相点）时，按步长A（即地址 差 ） 查表 , 每查一次瞬时值, 将查表地址递增 A。 当查表地址递增到 256 时 便完成一次循环 ， 对应的时间等于一个输出周期 T0， 所以变频器的输出频率 与查表步长之间的关系为：/尸 几二 256 x 20x 10_3= L （H由上式可见，fo与A成正比，改变A即可改变输出频率实现变频。查表得 到的瞬时值乘以 K 值即可改变输出电压幅值 ， 以实现变压。 然后根据瞬时值 查同步电压波的反余弦函数表 ， 得到触发角的值 ， 转化成 DSP 的定时量。 定 时到， 则触发相应的晶闸管。为了使变频器输出对称 ， 三相给定的正弦函数互

21、差 To/3， 并与各自的反组正 弦函数波成轴对称。 用表地址描述的时间轴即 0、To/3、To/2、To 时刻分别对 应于表地址：XX00H、XX55H、XX7FH、XXFFH。所以只需制作一张正弦函 数表 ， 三相查取给定电压波瞬时值的地址始终互差 55H， 这样就实现了三相对 称输出。4 实验结果图 4 ：阻感负载的电压电流波形。从实验结果来看 , 采用此算法的系统运行稳定可靠 , 调制的频率可按照设定 要求输出 , 电流过零死区小于 1ms, 满足控制要求 , 电压电流波形比前两种 控制策略所得波形更佳 , 并且由于规则采样减少了输出波形中的次谐波含量 , 从而可以扩大 AC/AC 变频器输出频率的上限。