基于DSP數字型變頻調速系統

張曉琴，羅 隆

(1. 重慶工業(yè)職業(yè)技術學院，重慶 400050；2. 重慶賽迪工程咨詢有限公司，重慶 400013)

0 引言

數字信號處理器（DSP）是高速專用的微處理器，運算功能強大，數據傳輸速度快，在數字控制領域應用廣泛[2]。TMS320C240是目前應用于數控領域性能最好的DSP芯片[1]，它是專門為電機控制設計的，它內部自帶了PWM輸出單元，具有適時運算能力，并集成了電極控制外圍部件，使設計者加較少的硬件設備，就可以構成最小目標控制系統，從而可以降低系統費用和成本。PWM逆變器開關器件采用新型IGBT器件，具有開關頻率高、驅動功率小、線路簡單等特點。日本富士EXB840為系統驅動器，這是專門用來驅動IGBT的驅動模塊，由控制電路輸出的PWM控制信號經驅動模塊EXB840控制IGBT1-6的通斷，實現調壓調頻，從而控制電機的轉速。本文選用以上數字器件進行了交流電動機變頻調速系統設計，它具有調速范圍寬、效率高、動態(tài)性能好等特點，被廣泛地應用在交流調速領域。

1 系統的總體構成

基于DSP數字型變頻調速系統的結構框圖如圖1所示。

該系統主要由主回路部分，控制電路，檢測部分三部分組成，還附有必要的外圍電路。主回路主要是把電網電壓經過整流和逆變，送入交流電動機，并通過控制電路控制逆變器開關元件的開斷，實現電動機的調速。控制電路把檢測電路采集到的電壓、電流和轉速等信號送入DSP芯片中，進行矢量控制算法運算，再輸出控制信號控制主回路逆變器，同時通過鍵盤控制經DSP處理后顯示電動機的運行狀態(tài)。

圖1 基于DSP數字型變頻調速系統的結構框圖

2 硬件設計

2.1 主回路

采用電壓型PWM變頻器的主回路。這種變頻器先將電源提供的交流電通過整流器變成直流，再經過逆變器將直流變換為交流電。應用不控整流、PWM逆變器調壓變頻的交－直－交變壓變頻裝置，該結構可以較好地解決輸入功率因數低和輸出諧波大的問題。PWM逆變器開關器件采用IGBT，它是一種新型全控電力電子器件，綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點，開關頻率高，驅動功率小，線路簡單的特點。主電路結構如圖2所示。

圖2 主電路結構如

2.2 控制回路

控制電路的核心采用DSP 芯片中的TMS320C24*系列，它是專門針對電機控制而設計的，本系統中應用TMS320C240芯片。C240含有操作速率為20×10 條指令1s的CPU，片內含有16KB程序存儲器（ROM），544B數據存儲器，雙十位A/D轉換器，它含有同步串行外設接口（SPI），異步串行通信接口(SCI)，備有四種掉電模式，采用基于仿真頭(JTAG)掃描的仿真技術；它提供的脈寬調制(PWM)及I/O接口，可以用于驅動各種類型的電機。它包含了3個起/停定時器和9個比較器，并輔以靈活的波形發(fā)生邏輯，可產生多達12路PWM輸出；它還支持對稱的和非對稱的PWM生成能力以及空間矢量PWM狀態(tài)裝置，以實現功率開關器件的優(yōu)化方案；它能以比較低的功耗延長使用使命，它還包括死區(qū)發(fā)生單元，從而有助于保護功率器件；此外，事件管理器集成了4個接收輸入端，其中2個可用于光電編碼器正脈沖的直接輸入。C240內部框圖如圖3所示[1]。

圖3 C240內部框圖

該控制電路的算法采用矢量控制算法，把采集的電壓，電流信號和速度信號同時送入TMS320C240芯片中，在C240中經過比較器和函數庫進行矢量運算，輸出控制信號[4]。

2.3 驅動電路

應用日本富士電機的EXB系列驅動器EXB840，作為該系統的驅動器，這是專門用來驅動IGBT的驅動模塊。該模塊的特點是內部裝有2500V的高隔離電壓的光耦合器，有過電流保護電路和過電流保護輸出信號端子，另外，可以單電源供電。由控制電路輸出的PWM控制信號經驅動模塊EXB840控制IGBT1-6的通斷，實現調壓調頻，從而控制電機的轉速。EXB840驅動器的內部結構和腳碼說明如圖4所示[3]。

圖4 EXB840驅動器的內部結構和腳碼說明

2.4 檢測電路

電壓、電流檢測均采用霍耳元件，其特點是可實現隔離，而且交直流均可檢測，精度高，但需要外接電源，價格較高。轉速檢測采用光電編碼器，這是一種位置檢測器。

3 軟件設計

DSP程序的編寫可以用匯編語言，也可以使用C語言。一般來說，采用C語言設計的開發(fā)周期短，效率較高，并且移植性好，利于實現模塊化、組態(tài)化的設計目標，所以設計中的程序也是用C語言編寫的[4]。主程序流程圖如圖5所示。

4 結論

圖5 主程序流程圖

將設計的變頻系統運用于電梯運行控制系統中，由于電梯經常需要處于正反轉、反復起動制動過程中，要求電動機在各種負載下都有良好的調速性能和準確停車性能。本設計采用全數字芯片實現交流電動機的變頻調速系統，能夠在規(guī)定時間周期內采集數據、信息、發(fā)出控制信號，并且能在準確的時間內達到目的要求，完全能夠滿足電梯乘客的舒適感和平層精度要求。此外，該系統結構緊湊、體積小、重量輕、可靠性高、功能強、成本低等優(yōu)勢贏得廣大用戶關注，已廣泛用于冰箱、空調、洗衣機等家用電器及風機、泵或一般工業(yè)變速傳動控制中。

[1] TMS320C2407A DSP controller,TI,2002.

[2] 陳林,熊有倫,侯立軍.基于DSP的變頻調速系統設計[J].電工技術雜志,2002,(03):9-11.

[3] 林雪巖,付興武.基于DSP的全數字式變頻調速系統[J].電氣時代,2004,(12):139-140.

[4] 佘艷,孫云連.基于DSP實現對稱SVPWM矢量控制的變頻調速系統[J].電氣應用,2005,(4):81-84.