智能變頻器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

丁 凱

（曲阜師范大學(xué)，山東 曲阜 276826）

1 智能變頻器的特點(diǎn)及使用價(jià)值

變頻器由于具有顯著的節(jié)能作用，使其不僅成為企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置，而且，廣大企業(yè)更以節(jié)能為目的，廣泛將變頻器應(yīng)用于電力、紡織與化纖、建材、石油、化工、冶金、市政、造紙、食品飲料、煙草等行業(yè)以及公用工程(中央空調(diào)、供水、水處理、電梯等)。

應(yīng)用變頻調(diào)速，可以大大提高TPAM轉(zhuǎn)速的控制精度，使其在節(jié)能的狀態(tài)運(yùn)行，調(diào)速的節(jié)電效果非常可觀。與此類似，許多變動(dòng)負(fù)載TPAM一般按最大需求來生產(chǎn)TPAM的容量，故設(shè)計(jì)裕量偏大。而在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的間所占比例卻非常高，所以使用變頻器就等于落實(shí)了節(jié)能措施，可大大提高載運(yùn)行時(shí)的工作效率。因此，變動(dòng)負(fù)載的節(jié)能潛力巨大。變頻器的另一個(gè)廣市場和應(yīng)用趨勢是家電市場。每個(gè)家庭都希望節(jié)約家庭開支與生活成本，節(jié)電費(fèi)、提高家電性能、保護(hù)環(huán)境成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。帶有變頻控制的冰箱、衣機(jī)、家用空調(diào)等變頻家電，在節(jié)電、減小電壓沖擊、降低噪音、提高控制度等方面有很大的優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)所采用的智能技術(shù)簡介

一般變頻驅(qū)動(dòng)電路是將主控電路中CPU產(chǎn)生的六個(gè)PWM信號，經(jīng)光電隔離和大后，作為逆變電路的換流器件(逆變模塊)提供驅(qū)動(dòng)信號。對驅(qū)動(dòng)電路的各要求，因換流器件的不同而異。大部分的變頻器采用驅(qū)動(dòng)電路，而智能型變頻直接采用專用驅(qū)動(dòng)模塊IPM。

IPM由高速、低功率IGBT、優(yōu)選的門級驅(qū)動(dòng)器及保護(hù)電路構(gòu)成。其中，IGBT是GTR和MOSFET的復(fù)合，由MOSFET驅(qū)動(dòng)GTR，因而IPM具有GTR高電流密度、飽和電壓、高耐壓、MOSFET高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)內(nèi)部功率電路配置情況，IPM有多種類型，如PM200DSA060型：IPM為D型(內(nèi)部集成 2個(gè)IGBT)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)的開發(fā)周期短，效率較高，并且移植性好，利于實(shí)現(xiàn)模塊化、組態(tài)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用C語言編寫變頻器的SPWM控制主程序。

（1）編程方法。程序設(shè)計(jì)方面，擬采用在線計(jì)算占空比、用三角波作為載波的規(guī)則采樣法，得到一系列幅值相等但寬度不等的矩形波。利用公式計(jì)算出占空比，然后與周期寄存器T3PR中的值相乘，再送往對應(yīng)的比較寄存器CMPR4～CMPR6，就會在對應(yīng)的管腳輸出對稱的SPWM波。

調(diào)制方法分同步調(diào)制法和異步調(diào)制法。但異步法的輸出波形對稱性差，脈沖相位和個(gè)數(shù)不固定；同步法在調(diào)制波的頻率很低時(shí)，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除，當(dāng)調(diào)制波頻率很高時(shí)，開關(guān)元件又難以承受。所以，設(shè)計(jì)中采用了分段同步調(diào)制的方法來解決這一問題。具體實(shí)現(xiàn)為：把調(diào)制波頻率分為幾個(gè)頻段，在各個(gè)頻段內(nèi)保持載波比N恒定，不同頻段的載波比N不同。選取原則為：輸出頻率高的頻段用低載波比，輸出頻率低的頻段用高載波比。同時(shí)，為了得到嚴(yán)格對稱的雙極性SPWM波形，載波比應(yīng)選3的整數(shù)倍且為奇數(shù)。設(shè)計(jì)中將頻段分為3段，小于15Hz為一段，載波比選153；15～35Hz為一段，載波比選93：35Hz以上為一段，載波比選2l。分段同步的方法雖然比較復(fù)雜，但控制的精度比較高，輸出波形的效果也比較好。

對于AD采樣部分，只需設(shè)置定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)采樣，然后將得到的值與設(shè)定的最大值進(jìn)行比較，檢測是否過流及過壓；對于與液晶顯示模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，因是串行，只需查表將對應(yīng)的字符碼按照12232F的傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸即可。此部分程序相對較易實(shí)現(xiàn)。

（2）軟件流程。主控制程序是整個(gè)程式的最主要部分，它完成了變頻器的主要功能。程序初始化部分主要包括：I/0口的初始化，波形發(fā)生器的初始化，定時(shí)計(jì)器的初始化，SP1的初始化，MAX7219的初始化等。讀到內(nèi)部寄存器，就是把常用的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部寄存器，縮短DSP處理時(shí)間，好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。設(shè)定頻率處理，就是判斷按鍵所給定的值，判別所設(shè)定的頻率誰是最終的目標(biāo)頻率。頻率顯示部分，就是把最終目標(biāo)頻率，按常規(guī)以千位、百位、十位、個(gè)位通過LED顯示出來。運(yùn)行控制就是根據(jù)RUN鍵來決定是否啟動(dòng)TPAM運(yùn)行。在硬件設(shè)計(jì)上，采用的是富士公司的第三代智能功率模塊IPM，他的內(nèi)部本身就集成過壓、過流、過熱、控制電壓欠壓、短路等的輸出報(bào)警功能，通過光耦隔離后送入到DSP的外部中斷源引腳PDP INT，完成相應(yīng)的保護(hù)功能。

PWM中斷子程式是整個(gè)控制器工作的關(guān)鍵程式，空間電壓矢量調(diào)制的完成就是靠它來實(shí)現(xiàn)的。PWM發(fā)生程式主要完成如下的功能：TPAM運(yùn)行時(shí)頻率的動(dòng)態(tài)顯示，根據(jù)主程式中所給定的目標(biāo)頻率，能夠得到角速度，經(jīng)過積分運(yùn)算能夠得到的角度e，然后計(jì)算在兩相靜止坐標(biāo)系，軸上的投影及，有了能夠同時(shí)計(jì)算出參考電壓矢量所在的扇區(qū)N，根據(jù)已知量由公用值求取兩相鄰電壓矢量的作用時(shí)間T1、T2和T0，然后給DSP內(nèi)部的 3個(gè)全比較寄存器 CMPRx(x=l，2，3)進(jìn)行賦值，產(chǎn)生相應(yīng)的SPWM波形。

（3）程序代碼。主程序如下：

4 結(jié)論

隨著新型功率器件的產(chǎn)生，微處理器的高速化以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，各種新型控制方式不斷出現(xiàn)。變頻器正朝著數(shù)字化、智能化、集成化的方向在發(fā)展，TPAM交流調(diào)速系統(tǒng)存在的高度非線性、多變量以及不確定性等特點(diǎn)。因此，將自適應(yīng)控制思想和現(xiàn)代控制理論相結(jié)合，在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，采用了相關(guān)的智能理論與技術(shù)，同時(shí)也采用了C語言和匯編語言混合編程方式以及模塊化程序設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了變頻器的軟件系統(tǒng)，并且對其源程序進(jìn)行了調(diào)試，使系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。