基于DSP的三相交流異步電機變頻調速系統設計

羅海龍，阮巖，王昆

（西安石油大學電子工程學院，西安 710065）

0 引言

隨著電機控制產品的多樣化，變頻技術已被普遍運用[1]。在電機系統節能解決方案中，有相當一部分系統通過變頻調速控制技術，可節省大量的電能。目前，先進的控制算法使運算日益復雜化，新的應用需要更高的控制精度、實時控制要求中斷響應時間更短[2-3]，為此對數字處理器的要求更加苛刻。選用TI的32位TMS320F28335 DSP控制器，其擁有增強型脈寬調制器（ePWM）模塊、12.5MSPS的ADC模塊、增強型捕獲單元模塊、浮點運算單元以及眾多的通信接口等。在電機變頻調速系統設計中能夠降低系統成本、增加系統可靠性和提升系統性能。

1 系統總體設計

基于TI的高速數字信號處理器TMS320F28335設計了三相異步電機變頻調速系統。系統設計包括電源設計、逆變器設計、DSP最小系統設計、電壓電流檢測設計和測速設計。系統總體設計框圖如圖1所示。DSP通過ADC模塊讀取整流側直流電壓，電機電壓Uref的大小可根據U/F控制特性可以獲得，θ為定子電壓矢量旋轉角度，可由當前運行頻率值對時間的積分直接計算得到[4]，由此可確定θ象限、Uref所在扇區號，通過查表和計算得出每個ePWM模塊CMPA寄存器的值，從而產生SVPWM去驅動功率元件開關動作[5-6]。檢測電路將檢測到的信號傳給DSP，通過觀測相應寄存器的值即可清楚的看到系統運行狀況。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 系統電源設計

系統運行需要多種電源。其中IPM模塊控制電源需要直流15V的單向電源供電；霍爾電流傳感器和高速光耦工作需要5V電壓供電；DSP電路系統中需要3.3V和1.9V兩種電壓。為了得到這幾種電源，將220V交流電通過可調變壓器和橋式整流，經過濾波，接入到三端穩壓LM7815和LM7805，分別提供15V和5V，選擇電壓精度較高的電源芯片TPS767D301產生3.3V和1.9V兩種電壓供DSP使用。

2.2 逆變電路設計

系統采用智能功率模塊IPM，IPM以其高可靠性、安全性和便捷性，在驅動電機的變頻器和各種逆變電源等方面已得到廣泛應用。因DIP-IPM內置了HVIC，實現了單15V電源供電，同時MCU/DSP與模塊之間可不再需要隔離電路即實現了無光耦直接驅動。此外，由于DIP-IPM的控制輸入邏輯電平和DSP輸出的CMOS點評標準兼容，可直接將DSP直接連接到DIP-IPM模塊上。但由于Fo信號線通過一10KΩ電阻上拉至5V，故該信號需通過5V轉3.3V電平驅動電路后連接到DSP上，響應故障信號。

2.3 DSP最小系統設計

（1）TMS320F28335工作時所需的兩種電壓由TPS767D301提供，并且該芯片自身能夠產生復位信號，可直接連到DSP的復位管腳使用。所以不用專門的復位電路，簡化了系統設計，降低了系統設計成本。

（2）F28335外接30MHz有源晶振輸入，進入鎖相環PLL模塊進行10倍頻，然后2分頻，最后送至CPU，CPU的時鐘為150MHz。

（3）JTAG下載電路將DSP連接到仿真器，仿真器連接到電腦，進行程序下載和調試。

2.4 電壓、電流檢測電路設計

需要檢測逆變器輸出線電流和直流母線電壓。電流的大小通過線性霍爾電流傳感器來測量，其輸出模擬電壓連接到DSP的ADC模塊進行采集。TMS320F28335支持多達16個具有雙通道采樣及保持功能的模擬輸入通道，12位ADC采樣速率高達12.5MSPS，可快速精確的對信號進行采集。霍爾電流傳感器輸出模擬電壓范圍為1.5～3.5V，而DSP的ADC模塊要求模擬電壓輸入在0～3V之間。因此就需要設計調理電路調節輸入電壓到ADC模擬輸入范圍內進行采集，具體電路如圖2所示。整流側直流電壓范圍也不符合ADC模塊模擬輸入范圍，因此也需要調理電路調整，具體電路如圖3所示。

圖2 電流檢測電路

圖3 電壓檢測電路

2.5 測速電路設計

電機轉速可用光電編碼器獲取。在固定的時間內，通過增量型光電編碼器輸出的信號的讀取，運算得到速度量。光電編碼器信號需經過高速光耦6N134，最終連接到TMS320F28335的eQEP模塊的QEP1A和QEP1B引腳進行處理。電路如圖4所示。

圖4 測速電路

3 系統軟件設計

系統控制程序由主程序和PWM中斷子程序和故障中斷子程序組成。

主程序主要負責初始化系統，初始化中斷、初始化系統外設和循環等待等任務。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統主程序流程圖

PWM中斷子程序主要通過完成SVPWM算法的計算，然后3個PWM模塊輸出波形控制IPM中6個VT的開關，每個PWM模塊產生帶死區的兩個互補的PWM波。

故障中斷子程序主要用于當TMS320F28335接收到IPM的過流、欠壓、短路等故障信號時，立刻響應中斷，切斷所有PWM信號，保證系統和IPM功率模塊不受損壞。

4 測試驗證

在實驗中，使用的電機是一個3相交流異步電機，其額定頻率50Hz，額定電壓380V。通過測試，電機在5～50Hz內可進行平滑的變頻調速，電機分別在10Hz、25Hz、50Hz時逆變器輸出的A、B相線電流的波形如圖6、圖7、圖8所示。實驗結果表明了SVPWM方法的有效性。

5 結語

本文介紹了一種基于SVPWM的U/F調速控制系統，介紹了系統的總體框架和詳細的SVPWM實現過程。給出了基于TI的TMS320F28335 DSP控制器的設計方案，測試結果表明了設計的可行性。SVPWM技術更有效地利用了直流母線電壓，在變頻家電、工業風機、工業泵機等場合具有很強的應用價值。

圖6 逆變器輸出A、B相線電流波形（10Hz）

圖7 逆變器輸出A、B相線電流波形（25Hz）

圖8 逆變器輸出A、B相線電流波形（50Hz）

參考文獻：

[1]孟武勝,楊鵬.基于DSP的永磁同步電機變頻調速系統設計研究[J].微電機,2006,39(9):78-81.

[2]艾紅.基于DSP的異步電機變頻調速矢量控制研究[J].微特電機,2017(5):80-84.

[3]鄭飛,費樹岷,周杏鵬,等.基于DSP和FPGA的SVPWM算法及其在變頻調速中的應用[J].電力自動化設備,2010,30(11):61-64.

[4]于泳,熊文凱,楊榮峰,等.一種新穎的感應電機V/F控制系統低速性能提升方法[J].電氣自動化,2009,31(4):6-8.

[5]范心明.基于SIMULINK的SVPWM仿真[J].電氣傳動自動化,2009,31(3):19-21.

[6]李曉靜,周書晴.一種基于DSP的變頻調速系統的SVPWM控制方法[J].電力自動化設備,2005,25(9):43-46.