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控制篇
通用变频器中基于DSP的数字控制器实现
引言
变频调速系统的关键，就是要没计一个合理的变频器，而它的核心就是变频调速系统的数字控制器。变频器的数字控制器包括信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能。
变频器数字控制系统的硬件部分，包括微处理器、接口电路及外围设备，其中微处理器是系统的控制核心，它通过内部控制程序，对从输入接口输入的数据进行处理，完成控制计算等工作，通过输出接口电路向外围发出各种控制信号，外围设备除了检测元件和执行机构，还包括各种操作、显示以及通信设备。
本文采用TI公司的TMS320F240自行设计了一款用于高速电机调速系统的数字控制器，频率可以通过键盘数字给定或者模拟给定，同时对它的功能和技术做了简要的分析，并给出了电机在18000r/min稳态运行时控制器的输出波形。
1 数字控制器的硬件结构框图和工作原理
数字控制器的硬件以TMS320F240定点DSP为CPU，CY7C199为外部数据和程序存储器，数据和程序存储器各32K；16路的模拟/数字输入通道，其中一路可以用来进行模拟频率给定；使用了8位数字I/O口，可以用键盘通过I/O口来进行数字频率给定；4路12位的数字/模拟转换通道，用于电机输出信号控制；RS232和SPI系列兼容接口，其中将SPI用作变频调速时电机频率的LED显示，将SCI口扩充成RS232接口，其功能布置框图如图1所示。
电机或者逆变器的工作频率通过键盘给定，同时，其频率显示通过DSP内部的显示程序回显在LED上，当按下运行键以后，键盘设计频率被送到产生空间电压矢量的SVPWM处理子程序，生成的SVPWM波形通过GAL器件保护后输出，与此同时，电动机或者变频器的实时运行动态频率通过LED显示。正交编码脉冲可以接入电机的光电编码器，对系统构成速度环反馈，A/D模块可以接入电机的电流环，至于变频调速系统的保护中断源由DSP的引脚PDPINT提供，主要是过压、过流、控制电压欠压、过热等中断源。电机的速度或者逆变器的输出频率可以通过键盘改变。
2 硬件设计
数字信号处理器是数字控制器的核心部分，也是数字控制器对信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能的核心部分。数字控制器的功能模块设计如下。
2.l 数据和程序存储器的设计
DSP是一种高速存取器件，对于外围接口芯片有较高的要求，虽然DSP本身可以软件提供0~7个等待状态来满足与片外存取器件速度的匹配，但是为了不至于影响整个系统的控制和仿真功能，一般采用存取速度比较高的存储器来做为DSP的片外数据和程序存储器。本文采用CY7C199存储器，存取时间15ns，完全不用提供软件等待状态也不用加硬件等待电路，因为，CY7C199是32K的8位存储器，所以，使用了4片该存储器组成了32K的16位存储器RAM，数据和程序各32K。
2.2 DSP复位及时钟电路的设计
为了使系统被复位信号正确地初始化，对复位信号的脉冲宽度必须有一定的要求。对于TMS320F240而言，复位信号至少要lms。不过上电之后，系统的振荡器达到稳定工作状态需要20ms甚至更长的时间，一般来说上电复位时，在复位引脚上置100~200ms的一个低电平脉冲是比较合适的。根据这一原则，采用MAXIM公司的集成微处理器监控复位电路来完成，本文使用了MAX705。MAX705监控芯片，与传统的分立元器件组成的微机监控电路比较，它的可靠性高、动态响应好，功耗小、设计简单、体积小，在电子产品设计中已得到广泛的应用。
在设计中，时钟往往不被人充分地重视，其实，时钟是电路设计中非常重要的一个环节。DSP时钟既可由外部提供，亦可由板上的振荡器来提供。由于DSP及其它芯片工作都是以时钟为基准的，如果时钟质量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。本文采用外部时钟输入，由有源晶振产生10MHz脉冲，通过覆铜和串接LC滤波电路来抑制外界干扰，保证了系统的稳定工作。
2.3 RS232的串行口电路设计
RS232是美国电子工业协会于1960年发布的串行通信接口标准，目前应用广泛的是RS232C和RS232D。
RS232C的标准连接为DB25．但在实际应用中采用非标准的DB9连接，实际应用中根据需要对定义的引脚进行取舍。RS232C电气特性最大的特点是采用了负逻辑，逻辑l的电平是-3V~-15V，逻辑0的电平是+3V~+15V，因此，在使用中有一个电平转换接口的问题。本文中采用自升压的集成芯片MAX232C来构成，只由+5V电源来供电，电平转换所需的±10V电源由片内电荷泵产生。在控制器做好以后，进行了计算机的串行通信接口(SCI)检验，数据通信收发正常，能够稳定工作。
2.4 D/A输出功能块的设计
在数字控制系统中，D/A和A/D电路是必不可少的，根据各种运用场合不同，系统对D/A、A/D的速度要求也不一样。本文中使用的是并行输入的D/A芯片DAC7625，它是12位数据并行输入，4路模拟输出的D/A转换器。其建立时间是10μs，功耗20mW，电源可以采用单电源+5V和双电源±5V供电，广泛应用于电机控制和数据采集等。数模转换器DAC的数据输入来自DSP的高12位，通过74LS245送到DAC7625的数据端，采用单电源+5V供电，参考电压VHEFH使用精密稳压器件提供的+2.5V，VHEFL模拟地，其输出通 过运算放大器TLCH2272进行放大，输出范围为0~+5V。
2.5 键盘输入接口电路和LED显示电路设计
键盘和七段LED显示器是微型计算机系统最常用的输入、输出没备。它是实现人机之间进行信息交换的主要通路。键盘的功能就是把人们要处理的数据、命令等转换成计算机识?e的二进制代码，即计算机能识别的符号；七段LED显示器则是把计算机的运算结果、状态等代码转换成为人们能识?e的符号显示出来。键盘是计算机系统的主要输入没备，特?e是在微处理器中，键盘设汁成为必然。本文在设计时考虑到DSP处理速度的快速性，对于键盘去抖动环节，采用了硬件延时电路，具体电路如图2所示。
七段LED显示器有静态显示和动态显示两种连接方式。动态扫描方式节省硬件，常用的BCD七段译码驱动和动态扫描驱动电路有两种，如Intel 8279、Max 7219等，控制器中采用MAX7219芯片。DSP具有一个与外设打交道的串行接口SPl，这为串行接门显示提供了方便。MAX7219足一种串行的共阴极LED数字显示驱动器，内没多个控制和数据寄存器，其工作方式可通过编程灵活地设计，它是体积小、功能强大、使用灵活方便的串行接口。应用中需要注意的问题就是，MAX7219抗，EMI能力比较差， 相对而言用MAX7221比较可靠一点。另外一个问题是，说明书中虽然说寄存器可以使用任意数字，比如说数据格式中的高4位用的是XXXX来表示，但是，在实际应用中最好使用非零位，本文采用1111来表示，可以增加抗干扰能力。另外，在串行数据线和电源中必须加适量电容，以提高抗干扰能力，特别是电源尤其要注意，如果波动比较大的话，MAX7219比较容易损坏。
2.6 SVPWM脉冲输出模块的设计
空间电压矢量SVPWM脉冲输出是数字控制器中的关键部分，电机调速或者逆变器的频率就是由SVPWM波形来控制的。为了防止逆变器的上下桥臂直通，虽然在DSP内部编程可以加入死区?技洌?但是用微处理器产生的SVPWM脉冲可能由于程序跑飞而造成控制混乱，为安全起见，采用GAL器件做了互锁保护电路，防止逆变器同一桥臂上下器件的直通，数字控制器中使用的是Lattice公司的GAL16V8。
3 软件设计
随着变频器产品的不断成熟，它的功能也不断丰富，可靠性也得到不断提高，从而导致了其程序编制的复杂度和难度。本文设计的变频调速系统是针对实验室无轴承高频电机用，主要完成了一些基本功能，比如频率的设定与显示，低速时转距补偿功能等，程序不是特别复杂，设计程序近2000行，廾对程序进行了测试，证明程序运行良好。本文变频调速系统中的整个程序主要由主程序、键盘程序、显示程序、PWM程序、故障保护中断程序等组成。
3.l 主程序和故障保护中断程序
主程序是整个程序的最主要部分，它完成了变频器的主要功能，它的流程图如图3(a)所示。程序初始化部分主要包括：I/O口的初始化，波形发生器的初始化，定时计数器的初始化，SPl的初始化，MAX7219的初始化等。读数到内部寄存器，就是把常用的数据读人到内部寄存器，缩短DSP处理时间，更好地实现实?夹浴Ｉ瓒ㄆ德蚀?理，就是判断按键所给定的值，判别所设定的频率谁是最终的目标频率。频率显示部分，就是把最终目标频率，按常规以千位、百位、十位、个位通过LED显示出来。运行控制就是根据RUN键来决定是否启动电机运行。在硬件设计上，采用的是富士公司的第三代智能功率模块IPM，它的内部本身就集成厂过压、过流、过热、控制电压欠压、短路等的输出报警功能，通过光耦隔离后送入到DSP的外部中断源引脚PDPINT，完成相应的保护功能，具体流程图如图3(b)所示。
3.2 SVPWM中断子程序
PWM 中断子程序是整个控制器工作的关键程序，空间电压矢量调制的完成就是靠它来实现的，具体的流程图如图4所示。PWM发生程序主要完成如下的功能：电机运行时频率的动态显示，根据主程序中所给定的目标频率，可以得到角速度ω，ω经过积分运算可以得到usref的角度θ，然后计算usref在两相静止坐标系α，β轴上的投影usα及usβ，有了θ可以同时计算出参考电压矢量所在的扇区/N，根据已知量由公用值求取两相邻电压矢量的作用时间T1、T2和T0，然后给DSP内部的3个全比较寄存器CMPRx（x=1，2，3)进行赋值，产生相应的5VPWM波形。
 图4：SVPWN中断子程序流程图。 4 实验结果
根据前面介绍的系统硬件电路和软件控制算法，对制作的原理样机进行了实验研究。实验测试了异步电动机空载稳态运行情况，以此来检测原理样机的可行性，对实验结果进行了波形记录，300 Hz稳态运行时其PWM控制波形和测得的异步电机实测线电压波形如图5所示。
实验用高频电机的参数如下：
额定电压Un=220V，额定电流In=1.5A，额定频率f=400Hz，异步电机的极对数=1，额定功率Pe=800W，额定空载电流0.75A。
5 结语
以TMS320F240数字信号处理器为核心构成的数字控制器是一个信号处理系统，该系统可以完成信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能，相对于一般的单片机构成的系统，它的处理速度快、实时性能比较好，也易于选择和配合，同时集测量、监控、保护于一身，可与上位机通信，具有很高的使用价值。
基于DSP控制的三相AC/AC变频器控制方案的研究
引言
AC/AC 变频器是指直接将较高固定频率的电压变换为频率较低而输出电压幅值可变的变换器。为了使输出电压的谐波减到最小,要求在交流传动中应用的变频器输出电压的波形尽可能接近于正弦 , 那么就要对反并联变换器的触发延迟角连续进行交变的相位调制。
近年来,微处理器的迅猛发展使数字化的交 - 交变频器在电力拖动中的应用日益广泛， 本文以TI公司的DSP芯片TMS320F240为核心来研究三相交-交变频器的各种控制方案 , 并且比较了各自的优缺点。
本系统的硬件基础包括主回路、 晶闸管驱动电路、I/O扩展电路 、数据采集电路。由数据采集电路产生换组的零电流信号和三相同步信号。捕获中断口 CAPINT1 每隔 60o(10/3ms) 捕捉电源的同步信号, 进入同步信号中断程序, 结合I/O端口 PB1、PB2、PB3所处的状态, 就可以确定相应的同步波波头值以判相定管。I/O 端口 PC0、PC1、PC2 检测三相电流的过零检测信号,当过零信号有效时,进入相应的换组子程序 ,进行换组。在触发脉冲产生的时刻，这时将编码通过数据总线输出到I/O扩展电路以触发相应的晶闸管。以此硬件电路作为基础介绍了几种控制方法编写程序, 并比较了各自的优缺点。
1 逐点比较法
电网换相AC/AC变频器的交流输出电压是由其各相输入电压波形的各个片段组合而成的。理想的调制方法应能使输出电压的瞬时值与正弦波形的差值保持最小。 设要求输出的基准电压
以自然换相点作为起点 , 则
则
当触发角为a时,要求
因此,对于脉波的交-交变频器,以各晶闸管触发延迟角a=0为起点的一系列余弦同步电压与理想输出电压的交点为触发点,即可满足输出的电压波形与正弦电压相差最小的要求。
逐点比较法就是在DSP内存中制作表格 ,用查表法产生同步波和基准电压波, 然后不断地循环比较。当两者的值相等时,立即触发相应的晶闸管。只要DSP的采样间隔取得足够小 ,通过比较就可以得到精确的交点。
2 直线近似余弦交点法
查表法控制算法简单,易于实现, 但占用很大的计算资源 , 大量的时间用于比较操作, 而一个输出电压周期中真正得到的交点很少 , 并且要达到一定的精度, 需大量表格, 内存占用量较大。
为了避免 DSP不断循环查表耗费大量时间, 利用其CAPINT1捕获公共同步信号, 每隔3.3ms 向DS申请中断。 在中断服务子程序中完成交点的计算程序得到触发角对应的定时值 ,并启动计数器。 在余弦交点法的原理中用直线代替余弦波和电压基准波, 可以得到下面的图形 ,如图2所示 。
波形简化后,以基准电压正相过零点为坐标原点建立坐标系。 设同步波的幅值为1, 基准电压波的幅值范围为 [-1,+1]。要输出的电压幅值和频率给定后, 其波形的斜率为4rf, 同步波频率不变 , 它的斜率是固定的200。 已知O点和触发点P点的瞬时值分别为x,y, 则解直线方程组:
y=4rf (1)
y=200t+b (2)
可以求得 y=(50xrf)/(50rf)
ta=(1-y)/200
3 规则采样法
在余弦交点法实现的AC/AC变频器中 , 有算法较为复杂和其输出的基波电压幅值较小的缺点。从采样控制的角度看 ,对输入基准波的采样值只是在交点处才是有效的 , 所以可以把各交点看成是采样点?。 因此 , 采样点是不等距、 不规则的。由此使得输出波形的高次谐波成分加大。
规则采样法是在每个采样点(选自然换相点)采样基准波电压值 , 然后计算由该电压值所对应的触发控制角 , 以该触发角触发下一相晶闸管。 如图3所示 , 上部是一组桥的输出电压波形图 , 下部是同步电压和基准电压的波形图。
系统在自然换相点采样基准波得到的采样值 , 如图中 1、2、3、------, 各点 , 然后按这些采样值在同步电压波上计算相应的触发控制角 , 如图中1'、2'、3'、------,各点 。 这些点就是要求的换相点。
本系统采用给定基准波幅值和频率 , 然后查正弦表得到采样点的基准波瞬时值 。正弦函数按等时间间隔(3.3ms)离散化 , 依次存在 DSP 内存的 256 个单元中 。DSP 响应电源同步信号中断 ( 即自然换相点 )时 , 按步长A( 即地址差 ) 查表 , 每查一次瞬时值, 将查表地址递增 A。 当查表地址递增到 256 时便完成一次循环 , 对应的时间等于一个输出周期 T0, 所以变频器的输出频率与查表步长之间的关系为：
由上式可见 ,fo 与 A 成正比 , 改变 A 即可改变输出频率实现变频。 查表得到的瞬时值乘以 K 值即可改变输出电压幅值 , 以实现变压。 然后根据瞬时值查同步电压波的反余弦函数表 , 得到触发角的值 , 转化成 DSP 的定时量。 定时到, 则触发相应的晶闸管。
为了使变频器输出对称 , 三相给定的正弦函数互差 To/3, 并与各自的反组正弦函数波成轴对称。 用表地址描述的时间轴即 0、To/3、To/2、To 时刻分别对应于表地址：××00H、××55H、××7FH、××FFH。所以只需制作一张正弦函数表 , 三相查取给定电压波瞬时值的地址始终互差 55H, 这样就实现了三相对称输出。
4 实验结果
变频器在中央空调中的应用
中央空调系统已广泛应用于工业与民用领域。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上。
中央空调主要是由风机和水泵组成，采用变频调速技术不仅能使商场室温维持在所期望的状态，让人感到舒适满意，更重要的是其节能效果高达30%以上，能带来良好的经济效益。
一、中央空调系统的构成及工作原理
它主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和散热水塔组成。其工作原理如图1示：
制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻水泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量，与冷却循环水进行热交换，由冷却水泵将带来热量的冷却水泵到散热水塔上由水塔风扇对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。
二、对中央空调的变频调速节能改造
1．系统组成
用艾默生变频器对中央空调进行改造，可以组成如下系统，如图2所示：
在该系统中，冷冻泵、冷却泵、水塔风扇变频器采用开环控制，由维护人员根据季节不同和负荷的变化进行调节；风机采用温度闭环控制，可根据温度传感器的反馈值，调节风机的转速，从而使被控环境温度基本保持恒定。原理图如下所示：
艾默生的TD2000系列P型变频器适用于风机和水泵的控制，能根据负载情况，自动实现节能运行。并且其内置PID功能，无需借助其它控制器便可完成温度等参量的闭环自动控制。
TD2000变频器还提供了RS232/RS485串行接口，以便与中央控制室的微机联网，实现集中监控，使维护人员及时了解各变频器的工作状态。
三、综合效益预测
1) 显著的节电效果，良好的经济效益；
2) 使室温维持恒定，让人感到舒适；
3) 操作方便，维护量小；
4) 变频调速使电机大多数时间运行在工频之下，减少了环境噪音，并减轻了电机轴承磨损。
丹佛斯VLT变频器在纺织机械中的应用
转杯纺机的主要电气系统结构及工作原理如下：
上图所示系统的动力传递过程如下：
由电网供电的三相异步电动机通过皮带拖动同步发动机,同步发电机发出约280V的三相电压,通过三相中频变压器变为70V电压,然后供给三相微型纺杯电机。同步发电机的输出频率是通过改变同步发电机和异步电动机的转速比来调整的。其常备可调频率为600Hz、700Hz、800Hz、900Hz和1000Hz。为非连续性调整。
牵伸系统和喂料系统的速度系根据工艺要求而单独调整的。在该系统中, 纺杯电机的转速须严格与喂料系统, 牵伸系统的速度同步,方能保证产品质量的稳定。且不同的产品规格要求不同的纺杯速度,牵伸比和喂料速度。因此, 纺杯速度的稳定度, 以及纺杯速度和牵伸速度, 喂料速度的比值的可调整性和精度则直接决定了产品的质量和产量。
上述传统的转杯纺机存在的主要问题有：
电网参数变化引起异步电机转速变化, 进而引起同步发电机输出频率的漂移, 造成纺杯转速不稳定，中频机组的输出频率以100Hz为单位, 不能连续可调，系统的工艺调整性差，系统效率极差，产品成本巨大，中频机组故障率高，占地面积大，噪音十分严重，对转杯纺机进行改造的主要手段之一是采用变频调速器替代传统的中频机组。
使用变频器替代中频机组,能够彻底解决中频机组输出频率不稳定带来的产品质量问题且频率连续可调。采用变频器亦能补偿中频变压器在不同频率段传递效率不同的问题。
由新疆东光有限公司为乌鲁木齐红山棉纺织厂4台转杯纺机进行变频改造后,取得了十分令人满意的效果.改造系统使用了4台丹佛斯VLT5000系列变频调速器替代原有的中频机组,解决了中频机组运行时的主要问题：
改造后的计算节能效果为70%,实测节能效果大于50%,大幅度降低了生产成本。
改造前系统运行频率不能超过800Hz(超过时频率不稳定),改造后系统最高运行频率达到960Hz,单产明显提高。
由于变频器频率连续可调且稳定度好,产品质量明显得到改进，原系统更换工艺过程繁琐,改造后,可迅速完成工艺变更，变频器为静态运行,彻底消除了中频机组的运行噪音,大幅度降低了系统故障率，大幅度削减占地面积，该厂在原4台机组的辅助面积上安装了第5台机组。
由上述论述可见,转杯纺机的技术改造有极其可观的经济效益。
值得注意的是,在转杯纺机的改造过程中,中频变压器的保留是必要的。否则改造成本将提高较大。由于中频变压器的存在,必须使用带有多段可调U/F曲线的变频器,如VLT5000系列和VLT2800系列。 |
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, 输出的三相交流线电压波形为 u1, u2, 如图1所示。只要原先导通相u1比相继导通相u2更接近要求输出的理想电压, 即(uR-u1)<(u2-uR) 得 uR<(u1+u2)/2,则u1应继续出现在输出端。当 uR=(u1+u2)/2,则由u1转换到u2。
