基于DSP的通用變頻器技術(shù)

  從20世紀(jì)初，可調(diào)速傳動(dòng)的電動(dòng)機(jī)在鋼鐵工業(yè)和汽車(chē)工業(yè)中就已獲得了廣泛的應(yīng)用。用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的調(diào)速系統(tǒng)主要是專(zhuān)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(jì)簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但是由于調(diào)試復(fù)雜、升級(jí)不便等問(wèn)題一直困擾交流電機(jī)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(dòng)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(yùn)行可靠性很高，其性能指標(biāo)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(chǔ)器彼此獨(dú)立），在每一時(shí)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(gè)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(qiáng)大的尋址方式、靈活的指令系統(tǒng)及其強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，使得DSP不僅運(yùn)算能力較單片機(jī)有了較大的提高，而且在該處理器上更容易實(shí)現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言。其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和超強(qiáng)的運(yùn)算能力，使得以前需要硬件才能實(shí)現(xiàn)的功能可移植到DSP中以軟件實(shí)現(xiàn)，也使得數(shù)字信號(hào)處理中的一些理論和算法得以實(shí)時(shí)實(shí)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(dòng)電路、檢測(cè)電路、保護(hù)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(jì)

　　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(jí)采用三相橋式不可控全波整流電路，整流輸出經(jīng)過(guò)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(guò)功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。

　　整流電路將交流動(dòng)力電變?yōu)橹绷麟姡鞠到y(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(duì)整流電路的沖擊，在直流輸出側(cè)并聯(lián)了一個(gè)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(dòng)成分，逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流及負(fù)載變化也為直流電壓脈動(dòng)，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(dòng)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(shí)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(gè)IGBT單元，比較適合變頻逆變驅(qū)動(dòng)，其具體極限參數(shù)：集射極電壓VCES=1 200 V ，結(jié)溫80 ℃時(shí)集射極電流ICE=300 A，結(jié)溫25 ℃時(shí)集射極電流ICE=480 A，允許過(guò)流600 A，時(shí)間為1 ms，功率損耗為1 450 W，門(mén)極驅(qū)動(dòng)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(dāng)電機(jī)負(fù)載進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導(dǎo)致直流電壓上升。當(dāng)直流電壓上升到一定值時(shí)，控制TL導(dǎo)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(diǎn)與R4組成斷電能量釋放電路。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或關(guān)機(jī)時(shí)，繼電器J1斷電，通過(guò)其常開(kāi)觸點(diǎn)，將變頻器與電網(wǎng)斷開(kāi)；而常閉觸點(diǎn)閉合，利用R4為中間回路大電容所儲(chǔ)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(jì)

　　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(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。其中，信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路主要完成對(duì)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(hào)，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)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(jìn)行設(shè)計(jì)。使用雙減法電流[6]采樣電路，采樣方案中的運(yùn)算放大器是TLC2274。第一運(yùn)放U8A的輸出電壓為：

　　其中R1=R2，R3=Rn，則：

　　同樣，第二運(yùn)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(gè)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(gè)3.3V的穩(wěn)壓二極管，對(duì)運(yùn)放輸出電壓起到限幅作用。當(dāng)Ui值>Uref時(shí)，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(yùn)放中，故而第二路運(yùn)放不能輸出負(fù)電壓，而是鉗位在0V；當(dāng)Ui值<Uref時(shí)，Uo2輸出為正電壓。現(xiàn)樣由于二極管D1在存在使得第一路運(yùn)放不能輸出負(fù)電壓，也是鉗位在0V。在一個(gè)正弦波周期內(nèi)的某一時(shí)刻只會(huì)有一路信號(hào)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(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流非常大或因控制回路、驅(qū)動(dòng)電路等誤動(dòng)作，造成輸出電路短路等故障，導(dǎo)致過(guò)大的電流流過(guò)IGBT，且電流變化非?？欤惺芨唠妷骸⒋箅娏?，因此需要一種能快速檢測(cè)出過(guò)大電流的電路。可以采用2SD315A自身檢測(cè)和檢測(cè)直流母線的雙重檢測(cè)以及在故障發(fā)生時(shí)，采用軟、硬件同時(shí)封鎖的方法。直流母線電壓的變化，對(duì)整個(gè)逆變系統(tǒng)有較大的影響。當(dāng)母線電壓過(guò)低，電網(wǎng)輸出不能達(dá)到系統(tǒng)要求時(shí)，需要盡快切斷電源，防止對(duì)電機(jī)或者逆變系統(tǒng)造成破壞；相反，母線電壓過(guò)高，很容易使功率驅(qū)動(dòng)管燒毀。為有效地保護(hù)功率IGBT和直流濾波電容，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了母線電壓過(guò)欠壓保護(hù)電路，故障檢測(cè)原理如圖4所示。圖中6N138為一個(gè)線性光電隔離器，輸出電壓信號(hào)與母線電壓成正比，當(dāng)通過(guò)光電隔離器件后，可以直接供給DSP控制系統(tǒng)進(jìn)行采樣。同時(shí)，將輸出Vlimit信號(hào)送至DSP，觸發(fā)中斷保護(hù)。

圖4 故障檢測(cè)原理圖[!--empirenews.page--]

　　1.3 系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

　　DSP數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)較之模擬控制更為高級(jí)而且復(fù)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(diǎn)。由數(shù)字PID代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬PID具有設(shè)計(jì)周期短、靈活多變易的控制策略和電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(shí)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(fù)位、NMI位，只允許PDPINT、中斷3。PDPINT是功率設(shè)備保護(hù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　試驗(yàn)條件：輸入電壓是三相交流380 V±15%，電機(jī)型號(hào)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(yàn)證數(shù)字控制用于調(diào)速的變頻器的可行性，設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812的試驗(yàn)機(jī)。系統(tǒng)輸入電壓為交流380 V，測(cè)量?jī)x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(diǎn)的電壓波形如圖6、圖7所示。以實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。但由于沒(méi)有結(jié)合波形控制技術(shù)，在帶整流負(fù)載時(shí)的輸出波形有一定的畸變。

圖6 20.001HZ時(shí)A、B線電壓波形

圖7 14.99HZ時(shí)A、B線電壓波形

　　數(shù)字控制變頻器相對(duì)模擬控制變頻器具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，如減少了體積和重量，提高了控制精度，方便維修升級(jí)。隨著控制理論與實(shí)施手段不斷完善以及DSP價(jià)格不斷降低，數(shù)字控制變頻器將成為重要的研究方向。