從20世紀初，可調(diào)速傳動的電動機在鋼鐵工業(yè)和汽車工業(yè)中就已獲得了廣泛的應用。用于交流電動機調(diào)速的調(diào)速系統(tǒng)主要是專用的模擬控制芯片，雖然采用模擬芯片的調(diào)速系統(tǒng)具有設(shè)計簡單、成本較低等優(yōu)點，但是由于調(diào)試復雜、升級不便等問題一直困擾交流電機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。隨著電力電子器件和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，各種通用的、高性能的交流傳動控制系統(tǒng)相繼誕生，多種交流調(diào)速技術(shù)己經(jīng)趨于成熟，運行可靠性很高，其性能指標可以做到與模擬控制調(diào)速系統(tǒng)一樣，甚至完全可以取代模擬控制調(diào)速系統(tǒng)。
目前數(shù)字處理（DSP）技術(shù)逐漸成熟，新一代DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作（即程序、數(shù)據(jù)存儲器彼此獨立），在每一時鐘周期內(nèi)完成取指、譯碼、讀數(shù)據(jù)以及執(zhí)行指令等多個操作，從而大大減少了指令執(zhí)行周期。另外，由于其特有的寄存器結(jié)構(gòu)、功能強大的尋址方式、靈活的指令系統(tǒng)及其強大的浮點運算能力，使得DSP不僅運算能力較單片機有了較大的提高，而且在該處理器上更容易實現(xiàn)高級語言。其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和超強的運算能力，使得以前需要硬件才能實現(xiàn)的功能可移植到DSP中以軟件實現(xiàn)，也使得數(shù)字信號處理中的一些理論和算法得以實時實現(xiàn)。
1 數(shù)字控制變頻器系統(tǒng)介紹
數(shù)字控制變頻器系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成，主電路采用典型的電壓型交－直－交通用變頻器結(jié)構(gòu)；控制電路主要包括DSP數(shù)字控制器，由DSP、驅(qū)動電路、檢測電路、保護電路以及輔助電源電路組成。主電路和控制電路原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1.1 主電路設(shè)計
數(shù)字控制變頻器主電路[4]的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由濾波、整流、中間濾波、泵升吸收和逆變部分組成。輸入功率級采用三相橋式不可控全波整流電路，整流輸出經(jīng)過中間環(huán)節(jié)大電容濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率管的導通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。
整流電路將交流動力電變?yōu)橹绷麟?，本系統(tǒng)采用不可控全波整流模塊6RI75G-120。為防止電網(wǎng)或逆變器等產(chǎn)生的尖峰電壓對整流電路的沖擊，在直流輸出側(cè)并聯(lián)了一個可吸收高頻電壓的聚脂乙烯電容C4，取值為0.22 μF。整流電路輸出的直流電壓含有脈動成分，逆變部分產(chǎn)生的脈動電流及負載變化也為直流電壓脈動，由C1、C2濾波，取值為450 V、470 μF；R2、R3為均壓電阻，取值為5 W、100 kΩ；R1為充電限流電阻。啟動變頻器后經(jīng)1 s～2 s，由J2繼電器短路，以減少變頻器正常工作時在中間直流環(huán)節(jié)上的功耗。逆變部分電路采用EUPEC的FF300R12KE3集成模塊，其內(nèi)部集成了2個IGBT單元，比較適合變頻逆變驅(qū)動，其具體極限參數(shù)：集射極電壓VCES=1 200 V ，結(jié)溫80 ℃時集射極電流ICE=300 A，結(jié)溫25 ℃時集射極電流ICE=480 A，允許過流600 A，時間為1 ms，功率損耗為1 450 W，門極驅(qū)動電壓為±20 V。[!--empirenews.page--]
如圖2所示，TL、RL構(gòu)成泵升電壓吸收電路，當電機負載進入制動狀態(tài)時，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導致直流電壓上升。當直流電壓上升到一定值時，控制TL導通，使這部分能量消耗在電阻RL上，確保變頻器可靠安全地工作。此外，由J1常閉觸點與R4組成斷電能量釋放電路。當系統(tǒng)發(fā)生故障或關(guān)機時，繼電器J1斷電，通過其常開觸點，將變頻器與電網(wǎng)斷開；而常閉觸點閉合，利用R4為中間回路大電容所儲存的能量提高釋放通道。
圖2 主電路原理結(jié)構(gòu)圖
1.2 基于DSP的控制電路設(shè)計
以TMS320F2812為核心的數(shù)字控制電路如圖3所示。從圖中可以看出，控制系統(tǒng)主要包括：DSP及其外圍電路、信號檢測與調(diào)理電路、驅(qū)動電路和保護電路。其中，信號檢測與調(diào)理電路主要完成對圖2輸出電流和輸出電壓采樣、A/D等功能，DSP產(chǎn)生脈沖信號，通過D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動功率開關(guān)管U1～U6。
圖3 變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)框圖[!--empirenews.page--]
TMS320LF240片內(nèi)集成了采樣保持電路和模擬多路轉(zhuǎn)換器的雙十位A/D轉(zhuǎn)換，為了盡量充分利用芯片資源，采用了片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換進行設(shè)計。使用雙減法電流[6]采樣電路，采樣方案中的運算放大器是TLC2274。第一運放U8A的輸出電壓為：
其中R1=R2，R3=Rn，則：
同樣，第二運放U8A的輸出電壓為：
從霍爾電流傳感器輸出的Ui=2.5±△V，此電壓先后施加到由TLC2274構(gòu)成的兩個減法電路上，第一路以Ui減去傳感器采樣結(jié)果的中值參考電壓Uref（2.5V），然后再線性放大到A/D采樣所要求的電壓范圍；第二路則相反，再中值參考電壓Uref減去傳感器輸出電壓Ui，同樣也線性放大到合適的電壓范圍。Z1、Z2為兩個3.3V的穩(wěn)壓二極管，對運放輸出電壓起到限幅作用。當Ui值>Uref時，Uo1輸出為正電壓，且電壓范圍是0-3.3V，而由于二極管D2的存在使得電流不能注入到運放中，故而第二路運放不能輸出負電壓，而是鉗位在0V；當Ui值<Uref時，Uo2輸出為正電壓?，F(xiàn)樣由于二極管D1在存在使得第一路運放不能輸出負電壓，也是鉗位在0V。在一個正弦波周期內(nèi)的某一時刻只會有一路信號輸出，這比常規(guī)方法采樣窗口要寬一倍，從而提高了采樣精度。
由于電機啟動時的電流非常大或因控制回路、驅(qū)動電路等誤動作，造成輸出電路短路等故障，導致過大的電流流過IGBT，且電流變化非?？欤惺芨唠妷?、大電流，因此需要一種能快速檢測出過大電流的電路?？梢圆捎?SD315A自身檢測和檢測直流母線的雙重檢測以及在故障發(fā)生時，采用軟、硬件同時封鎖的方法。直流母線電壓的變化，對整個逆變系統(tǒng)有較大的影響。當母線電壓過低，電網(wǎng)輸出不能達到系統(tǒng)要求時，需要盡快切斷電源，防止對電機或者逆變系統(tǒng)造成破壞；相反，母線電壓過高，很容易使功率驅(qū)動管燒毀。為有效地保護功率IGBT和直流濾波電容，系統(tǒng)設(shè)計了母線電壓過欠壓保護電路，故障檢測原理如圖4所示。圖中6N138為一個線性光電隔離器，輸出電壓信號與母線電壓成正比，當通過光電隔離器件后，可以直接供給DSP控制系統(tǒng)進行采樣。同時，將輸出Vlimit信號送至DSP，觸發(fā)中斷保護。
圖4 故障檢測原理圖[!--empirenews.page--]
1.3 系統(tǒng)控制算法軟件實現(xiàn)
DSP數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)較之模擬控制更為高級而且復雜的控制策略，與模擬控制電路相比較，數(shù)字控制電路擁有更多的優(yōu)點。由數(shù)字PID代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬PID具有設(shè)計周期短、靈活多變易的控制策略和電磁干擾小等優(yōu)點。數(shù)字控制系統(tǒng)主程序圖如圖5所示，主程序模塊主要功能是完成系統(tǒng)的初始化，PLL時鐘的設(shè)定：DSP工作頻率設(shè)為20 MHz；輸入輸出端口初始化。事件管理器初始化；定時器1、2、3的設(shè)定、全比較PWM單元設(shè)定、死區(qū)單元設(shè)定；QEP工作方式設(shè)定。中斷管理初始化：中斷除復位、NMI位，只允許PDPINT、中斷3。PDPINT是功率設(shè)備保護中斷，中斷3用于系統(tǒng)完成控制算法。
圖5 數(shù)字控制系統(tǒng)主程序圖
2 實驗結(jié)果及分析
試驗條件：輸入電壓是三相交流380 V±15%，電機型號為Y160L-4，額定功率為15 kW，額定電壓為380 V（Y型），額定電流為30 A，額定轉(zhuǎn)速為1 440 rp。
為了驗證數(shù)字控制用于調(diào)速的變頻器的可行性，設(shè)計了基于TMS320F2812的試驗機。系統(tǒng)輸入電壓為交流380 V，測量儀器為Agilent54622A示波器，高壓探頭衰減系數(shù)100：1，頻率設(shè)定值為變頻器液晶面板顯示值。A、B兩點的電壓波形如圖6、圖7所示。以實驗結(jié)果可以看出，設(shè)計方案具有一定的可行性。采用基于高速DSP的SPWM方式控制的逆變器，其輸出的波形具有較好的正弦波，諧波優(yōu)化程度高，大大減少了諧波損耗，提高了電壓的利用率，增加了系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。但由于沒有結(jié)合波形控制技術(shù)，在帶整流負載時的輸出波形有一定的畸變。
圖6 20.001HZ時A、B線電壓波形
圖7 14.99HZ時A、B線電壓波形
數(shù)字控制變頻器相對模擬控制變頻器具有不可比擬的優(yōu)勢，如減少了體積和重量，提高了控制精度，方便維修升級。隨著控制理論與實施手段不斷完善以及DSP價格不斷降低，數(shù)字控制變頻器將成為重要的研究方向。
下載文檔
