变频器知识大全：控制篇

　　控制篇

　　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。

　　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，将SCI口扩充成RS232接口，其功能布置框图如图1所示。

　　图1：数字控制器的硬件结构示意图。

　　电机或者逆变器的工作频率通过键盘给定，同时，其频率显示通过DSP内部的显示程序回显在LED上，当按下运行键以后，键盘设计频率被送到产生空间电压矢量的SVPWM处理子程序，生成的SVPWM波形通过GAL器件保护后输出，与此同时，电动机或者变频器的实时运行动态频率通过LED显示。正交编码脉冲可以接入电机的光电编码器，对系统构成速度环反馈，A/D模块可以接入电机的电流环，***变频调速系统的保护中断源由DSP的引脚PDPINT提供，主要是过压、过流、控制电压欠压、过热等中断源。电机的速度或者逆变器的输出频率可以通过键盘改变。

　　2 硬件设计

　　数字信号处理器是数字控制器的核心部分，也是数字控制器对信号的检测、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、保护等功能的核心部分。数字控制器的功能模块设计如下。

　　2.l 数据和程序存储器的设计

　　2.2 DSP复位及时钟电路的设计

　　2.3 RS232的串行口电路设计

　　2.4 D/A输出功能块的设计

　　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

　　图2：数字控制器中DSP键盘输入接口电路。

　　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SVPWM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

　　3.l 主程序和故障保护中断程序

　　主程序是整个程序的*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ㄆ德蚀？理，就是判断按键所给定的值，判别所设定的频率谁是*终的目标频率。频率显示部分，就是把*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 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ω，ω经过积分运算可以得到usref的角度θ，然后计算usref在两相静止坐标系α，β轴上的投影usα及usβ，有了θ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T1、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。

　　图4：SVPWN中断子程序流程图。

　　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。

　　图5：300Hz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。