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變頻調速系統的關(guān)鍵，就要沒(méi)計一個(gè)合理的變頻器，而它的核心就是變頻調速系統的數字控制器。變頻器的數字控制器包括信號的檢測、濾波、整形，核心算法的實(shí)時(shí)完成以及驅動(dòng)信號的產(chǎn)生，系統的監控、保護等功能。 變頻器數字控制系統的硬件部分，包括微處理器、接口電路及外圍設備，其中微處理器是系統的控制核心，它通過(guò)內部控制程序，對從輸入接口輸入的數據進(jìn)行處理，完成控制計算等工作，通過(guò)輸出接口電路向外圍發(fā)出各種控制信號，外圍設備除了檢測元件和執行機構，還包括各種操作、顯示以及通信設備。 本文采用TI公司的TMS320F240自行設計了一款用于高速電機調速系統的數字控制器，頻率可以通過(guò)鍵盤(pán)數字給定或者模擬給定，同時(shí)對它的功能和技術(shù)做了簡(jiǎn)要的分析，并給出了電機在18000r／min穩態(tài)運行時(shí)控制器的輸出波形。 1 數字控制器的硬件結構框圖和工作原理 數字控制器的硬件以TMS320F240定點(diǎn)DSP為CPU，CY7C199為外部數據和程序存儲器，數據和程序存儲器各32K；16路的模擬／數字輸入通道，其中一路可以用來(lái)進(jìn)行模擬頻率給定；使用了8位數字I／O口，可以用鍵盤(pán)通過(guò)I／O口來(lái)進(jìn)行數字頻率給定；4路12位的數字／模擬轉換通道，用于電機輸出信號控制；RS232和SPI系列兼容接口，其中將SPI用作變頻調速時(shí)電機頻率的LED顯示，將SCI口擴充成RS232接口，其功能布置框圖如圖1所示。 電機或者逆變器的工作頻率通過(guò)鍵盤(pán)給定，同時(shí)，其頻率顯示通過(guò)DSP內部的顯示程序回顯在LED上，當按下運行鍵以后，鍵盤(pán)設計頻率被送到產(chǎn)生空間電壓矢量的SVPWM處理子程序，生成的SVPWM波形通過(guò)GAL器件保護后輸出，與此同時(shí)，電動(dòng)機或者變頻器的實(shí)時(shí)運行動(dòng)態(tài)頻率通過(guò)LED顯示。正交編碼脈沖可以接入電機的光電編碼器，對系統構成速度環(huán)反饋，A／D模塊可以接入電機的電流環(huán)，至于變頻調速系統的保護中斷源由DSP的引腳PDPINT提供，主要是過(guò)壓、過(guò)流、控制電壓欠壓、過(guò)熱等中斷源。電機的速度或者逆變器的輸出頻率可以通過(guò)鍵盤(pán)改變。 2 硬件設計 數字信號處理器是數字控制器的核心部分，也是數字控制器對信號的檢測、濾波、整形，核心算法的實(shí)時(shí)完成以及驅動(dòng)信號的產(chǎn)生，系統的監控、保護等功能的核心部分。數字控制器的功能模塊設計如下。 2.l 數據和程序存儲器的設計 DSP是一種高速存取器件，對于外圍接口芯片有較高的要求，雖然DSP本身可以軟件提供0"7個(gè)等待狀態(tài)來(lái)滿(mǎn)足與片外存取器件速度的匹配，但是為了不至于影響整個(gè)系統的控制和仿真功能，一般采用存取速度比較高的存儲器來(lái)做為DSP的片外數據和程序存儲器。本文采用CY7C199存儲器，存取時(shí)間15ns，完全不用提供軟件等待狀態(tài)也不用加硬件等待電路，因為，CY7C199是32K的8位存儲器，所以，使用了4片該存儲器組成了32K的16位存儲器RAM，數據和程序各32K。 2.2 DSP復位及時(shí)鐘電路的設計 為了使系統被復位信號正確地初始化，對復位信號的脈沖寬度必須有一定的要求。對于TMS320F240而言，復位信號至少要lms。不過(guò)上電之后，系統的振蕩器達到穩定工作狀態(tài)需要20ms甚至更新的時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)上電復位時(shí)，在復位引腳上置100"200ms的一個(gè)低電平脈沖是比較合適的。根據這一原則，采用MAXIM公司的集成微處理器監控復位電路來(lái)完成，本文使用了MAX705。MAX705監控芯片，與傳統的分立元器件組成的微機監控電路比較，它的可靠性高、動(dòng)態(tài)響應好，功耗小、設計簡(jiǎn)單、體積小，在電子產(chǎn)品設計中已得到廣泛的應用。 在設計中，時(shí)鐘往往不被充分地重視，其實(shí)，時(shí)鐘是電路設計中非常重要的一個(gè)環(huán)節。DSP時(shí)鐘既可由外部提供，亦可由板上的振蕩器來(lái)提供。由于DSP及其它芯片工作都是以時(shí)鐘為基準的，如果時(shí)鐘質(zhì)量不高，那么系統的可靠性、穩定性就很難保證。本文采用外部時(shí)鐘輸入，由有源晶振產(chǎn)生10MHz脈沖，通過(guò)覆銅和串接LC濾波電路來(lái)抑制外界干擾，保證了系統的穩定工作。 2．3 RS232的串行口電路設計 RS232是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì )于1960年發(fā)布的串行通信接口標準，目前應用廣泛的是RS232C和RS232D。 RS232C的標準連接為DB25．但在實(shí)際應用中采用非標準的DB9連接，實(shí)際應用中根據需要對定義的引腳進(jìn)行取舍。RS232C電氣特性最大的特點(diǎn)是采用了負邏輯，邏輯l的電平是一3V一一15V，邏輯0的電平是+3V"+15V，因此，在使用中有一個(gè)電平轉換接口的問(wèn)題。本文中采用自升壓的集成芯片MAX232C來(lái)構成，只由+5V電源來(lái)供電，電平轉換所需的±10V電源由片內電荷泵產(chǎn)生。在控制器做好以后，進(jìn)行了計算機的串行通信接口(SCI)檢驗，數據通信收發(fā)正常，能夠穩定工作。 2.4 D／A輸出功能塊的設計 在數字控制系統中，D／A和A／D電路是必不可少的，根據各種運用場(chǎng)合不同，系統對D／A、A／D的速度要求也不一樣。本文中使用的是并行輸入的D／A芯片DAC7625，它是12位數據并行輸入，4路模擬輸出的D/A轉換器。其建立時(shí)間是10μs，功耗20mW，電源可以采用單電源+5V和雙電源±5V供電，廣泛應用于電機控制和數據采集等。數模轉換器DAC的數據輸入來(lái)自DSP的高12位，通過(guò)74LS245送到DAC7625的數據端，采用單電源+5V供電，參考電壓VHEFH使用精密穩壓器件提供的+2.5V，VHEFL模擬地，其輸出通過(guò)運算放大器TLCH2272進(jìn)行放大，輸出范圍為0"+5V。 2.5 鍵盤(pán)輸入接口電路和LED顯示電路設計 鍵盤(pán)和七段LED顯示器是微型計算機系統最常用的輸入、輸出沒(méi)備。它是實(shí)現人機之間進(jìn)行信息交換的主要通路。鍵盤(pán)的功能就是把人們要處理的數據、命令等轉換成計算機識別的二進(jìn)制代碼，即計算機能識別的符號；七段LED顯示器則是把計算機的運算結果、狀態(tài)等代碼轉換成為人們能識別的符號顯示出來(lái)。鍵盤(pán)是計算機系統的主要輸入沒(méi)備，特別是在微處理器中，鍵盤(pán)設汁成為必然。本文在設計時(shí)考慮到DSP處理速度的快速性，對于鍵盤(pán)去抖動(dòng)環(huán)節，采用了硬件延時(shí)電路，具體電路如圖2所示。 七段LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種連接方式。動(dòng)態(tài)掃描方式節省硬件，常用的BCD七段譯碼驅動(dòng)和動(dòng)態(tài)掃描驅動(dòng)電路有兩種，如Intel 8279、Max 7219等，控制器中采用MAX7219芯片。DSP具有一個(gè)與外設打交道的串行接口SPl，這為串行接門(mén)顯示提供了方便。MAX7219足一種串行的共陰極LED數字顯示驅動(dòng)器，內沒(méi)多個(gè)控制和數據寄存器，其工作方式可通過(guò)編程靈活地設計，它是體積小、功能強大、使用靈活方便的串行接口。應用中需要注意的問(wèn)題就是，MAX7219抗，EMI能力比較差， 相對而言用MAX7221比較可靠一點(diǎn)。另外一個(gè)問(wèn)題是，說(shuō)明書(shū)中雖然說(shuō)寄存器可以使用任意數字，比如說(shuō)數據格式中的高4位用的是XXXX來(lái)表示，但是，在實(shí)際應用中最好使用非零位，本文采用1111來(lái)表示，可以增加抗干擾能力。另外，在串行數據線(xiàn)和電源中必須加適量電容，以提高抗干擾能力，特別是電源尤其要注意，如果波動(dòng)比較大的話(huà)，MAX7219比較容易損壞。 2.6 SVPWM脈沖輸出模塊的設計 空間電壓矢量SVPWM脈沖輸出是數字控制器中的關(guān)鍵部分，電機調速或者逆變器的頻率就是由SVPWM波形來(lái)控制的。為了防止逆變器的上下橋臂直通，雖然在DSP內部編程可以加入死區吋間，但是用微處理器產(chǎn)生的SVPWM脈沖可能由于程序跑飛而造成控制混亂，為安全起見(jiàn)，采用GAL器件做了互鎖保護電路，防止逆變器同一橋臂上下器件的直通，數字控制器中使用的是Lattice公司的GAL16V8。 3 軟件設計 隨著(zhù)變頻器產(chǎn)品的不斷成熟，它的功能也不斷豐富，可靠性也得到不斷提高，從而導致了其程序編制的復雜度和難度。本文設計的變頻調速系統是針對實(shí)驗室無(wú)軸承高頻電機用，主要完成了一些基本功能，比如頻率的設定與顯示，低速時(shí)轉距補償功能等，程序不是特別復雜，設計程序近2000行，廾對程序進(jìn)行了測試，證明程序運行良好。本文變頻調速系統中的整個(gè)程序主要由主程序、鍵盤(pán)程序、顯示程序、PWM程序、故障保護中斷程序等組成。 3.l 主程序和故障保護中斷程序 主程序是整個(gè)程序的最主要部分，它完成了變頻器的主要功能，它的流程圖如圖3(a)所示。程序初始化部分主要包括：I／O口的初始化，波形發(fā)生器的初始化，定時(shí)計數器的初始化，SPl的初始化，MAX7219的初始化等。讀數到內部寄存器，就是把常用的數據讀人到內部寄存器，縮短DSP處理時(shí)間，更好地實(shí)現實(shí)吋性。設定頻率處理，就是判斷按鍵所給定的值，判別所設定的頻率誰(shuí)是最終的目標頻率。頻率顯示部分，就是把最終目標頻率，按常規以千位、百位、十位、個(gè)位通過(guò)LED顯示出來(lái)。運行控制就是根據RUN鍵來(lái)決定是否啟動(dòng)電機運行。在硬件設計上，采用的是富士公司的第三代智能功率模塊IPM，它的內部本身就集成廠(chǎng)過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱、控制電壓欠壓、短路等的輸出報警功能，通過(guò)光耦隔離后送入到DSP的外部中斷源引腳PDPINT，完成相應的保護功能，具體流程圖如圖3(b)所示。 3.2 SVPWM中斷子程序 PWM 中斷子程序是整個(gè)控制器工作的關(guān)鍵程序，空間電壓矢量調制的完成就是靠它來(lái)實(shí)現的，具體的流程圖如圖4所示。PWM發(fā)生程序主要完成如下的功能：電機運行時(shí)頻率的動(dòng)態(tài)顯示，根據主程序中所給定的目標頻率，可以得到角速度ω，ω經(jīng)過(guò)積分運算可以得到usref的角度θ，然后計算usref在兩相靜止坐標系α，β軸上的投影usα及usβ，有了θ可以同時(shí)計算出參考電壓矢量所在的扇區／N，根據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內部的3個(gè)全比較寄存器CMPRx（x=1，2，3)進(jìn)行賦值，產(chǎn)生相應的5VPWM波形。 4 實(shí)驗結果 根據前面介紹的系統硬件電路和軟件控制算法，對制作的原理樣機進(jìn)行了實(shí)驗研究。實(shí)驗測試了異步電動(dòng)機空載穩態(tài)運行情況，以此來(lái)檢測原理樣機的可行性，對實(shí)驗結果進(jìn)行了波形記錄，300 Hz穩態(tài)運行時(shí)其PWM控制波形和測得的異步電機實(shí)測線(xiàn)電壓波形如圖5所示。 實(shí)驗用高頻電機的參數如下： 額定電壓Un=220V，額定電流In=1.5A，額定頻率f=400Hz，異步電機的極對數=1，額定功率Pe=800W，額定空載電流0.75A。 5 結語(yǔ) 以TMS320F240數字信號處理器為核心構成的數字控制器是一個(gè)信號處理系統，該系統可以完成信號的檢測、濾波、整形，核心算法的實(shí)時(shí)完成以及驅動(dòng)信號的產(chǎn)生，系統的監控、保護等功能，相對于一般的單片機構成的系統，它的處理速度快、實(shí)時(shí)性能比較好，也易于選擇和配合，同時(shí)集測量、監控、保護于一身，可與上位機通信，具有很高的使用價(jià)值。 |
