一種通用變頻器技術(shù)研究和設(shè)計

摘  要： 基于TI公司TMS320F2812的用于交流電機(jī)調(diào)速采用通用變頻器，在變頻器中控制電路采用DSP代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬控制芯片，由DSP產(chǎn)生PWM信號經(jīng)隔離驅(qū)動控制逆變電路中的六個開關(guān)管通斷，產(chǎn)生所需的三相交流電壓，最后對應(yīng)用于工業(yè)控制的交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。數(shù)字控制變頻器提高了系統(tǒng)效率，降低并減小了變頻器重量和體積，便于實現(xiàn)不同的控制策略。

　　從20世紀(jì)初，可調(diào)速傳動的電動機(jī)在鋼鐵工業(yè)和汽車工業(yè)中就已獲得了廣泛的應(yīng)用。用于交流電動機(jī)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)[1]具有設(shè)計簡單、成本較低等優(yōu)點，但是由于調(diào)試復(fù)雜、升級不便等問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、高性能的交流傳動控制系統(tǒng)相繼誕生，多種交流調(diào)速技術(shù)[2]己經(jīng)趨于成熟，運行可靠性很高，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[3]，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(qiáng)大的尋址方式、靈活的指令系統(tǒng)及其強(qiáng)大的浮點運算能力，使得DSP不僅運算能力較單片機(jī)有了較大的提高，而且在該處理器上更容易實現(xiàn)高級語言。

　　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(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。

　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。國內(nèi)技術(shù)較領(lǐng)先的品牌有英威騰、匯川、三 晶、紫日、雷諾爾、歐瑞（原煙臺惠豐）、藍(lán)海華騰。

　　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(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(fù)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。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。

　　如圖2所示，TL、RL構(gòu)成泵升電壓吸收電路[5]，當(dāng)電機(jī)負(fù)載進(jìn)入制動狀態(tài)時，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，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，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。[!--empirenews.page--]

　　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)[3]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(hù)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。

　　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。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：

　　由于電機(jī)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(dǎo)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。可以采用2SD315A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[8]。為有效地保護(hù)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(hù)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(dāng)通過光電隔離器件后，可以直接供給DSP控制系統(tǒng)進(jìn)行采樣。同時，將輸出Vlimit信號送至DSP，觸發(fā)中斷保護(hù)。

　　DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。[!--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(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[9]。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[10]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。數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實力。數(shù)字控制系統(tǒng)主程序圖[10]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(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。

　　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(jī)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(jī)。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。但由于沒有結(jié)合波形控制技術(shù)，在帶整流負(fù)載時的輸出波形有一定的畸變。

　　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。