基于DSP的三相交流異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅海龍，阮巖，王昆

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著電機(jī)控制產(chǎn)品的多樣化，變頻技術(shù)已被普遍運(yùn)用[1]。在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能解決方案中，有相當(dāng)一部分系統(tǒng)通過(guò)變頻調(diào)速控制技術(shù)，可節(jié)省大量的電能。目前，先進(jìn)的控制算法使運(yùn)算日益復(fù)雜化，新的應(yīng)用需要更高的控制精度、實(shí)時(shí)控制要求中斷響應(yīng)時(shí)間更短[2-3]，為此對(duì)數(shù)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(qiáng)型脈寬調(diào)制器（ePWM）模塊、12.5MSPS的ADC模塊、增強(qiáng)型捕獲單元模塊、浮點(diǎn)運(yùn)算單元以及眾多的通信接口等。在電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中能夠降低系統(tǒng)成本、增加系統(tǒng)可靠性和提升系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于TI的高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335設(shè)計(jì)了三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電源設(shè)計(jì)、逆變器設(shè)計(jì)、DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電壓電流檢測(cè)設(shè)計(jì)和測(cè)速設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。DSP通過(guò)ADC模塊讀取整流側(cè)直流電壓，電機(jī)電壓Uref的大小可根據(jù)U/F控制特性可以獲得，θ為定子電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度，可由當(dāng)前運(yùn)行頻率值對(duì)時(shí)間的積分直接計(jì)算得到[4]，由此可確定θ象限、Uref所在扇區(qū)號(hào)，通過(guò)查表和計(jì)算得出每個(gè)ePWM模塊CMPA寄存器的值，從而產(chǎn)生SVPWM去驅(qū)動(dòng)功率元件開關(guān)動(dòng)作[5-6]。檢測(cè)電路將檢測(cè)到的信號(hào)傳給DSP，通過(guò)觀測(cè)相應(yīng)寄存器的值即可清楚的看到系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)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(guò)可調(diào)變壓器和橋式整流，經(jīng)過(guò)濾波，接入到三端穩(wěn)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(chǎn)生3.3V和1.9V兩種電壓供DSP使用。

2.2 逆變電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源等方面已得到廣泛應(yīng)用。因DIP-IPM內(nèi)置了HVIC，實(shí)現(xiàn)了單15V電源供電，同時(shí)MCU/DSP與模塊之間可不再需要隔離電路即實(shí)現(xiàn)了無(wú)光耦直接驅(qū)動(dòng)。此外，由于DIP-IPM的控制輸入邏輯電平和DSP輸出的CMOS點(diǎn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)兼容，可直接將DSP直接連接到DIP-IPM模塊上。但由于Fo信號(hào)線通過(guò)一10KΩ電阻上拉至5V，故該信號(hào)需通過(guò)5V轉(zhuǎn)3.3V電平驅(qū)動(dòng)電路后連接到DSP上，響應(yīng)故障信號(hào)。

2.3 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）TMS320F28335工作時(shí)所需的兩種電壓由TPS767D301提供，并且該芯片自身能夠產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，可直接連到DSP的復(fù)位管腳使用。所以不用專門的復(fù)位電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。

（2）F28335外接30MHz有源晶振輸入，進(jìn)入鎖相環(huán)PLL模塊進(jìn)行10倍頻，然后2分頻，最后送至CPU，CPU的時(shí)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(jìn)行程序下載和調(diào)試。

2.4 電壓、電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

需要檢測(cè)逆變器輸出線電流和直流母線電壓。電流的大小通過(guò)線性霍爾電流傳感器來(lái)測(cè)量，其輸出模擬電壓連接到DSP的ADC模塊進(jìn)行采集。TMS320F28335支持多達(dá)16個(gè)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(dá)12.5MSPS，可快速精確的對(duì)信號(hào)進(jìn)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(shè)計(jì)調(diào)理電路調(diào)節(jié)輸入電壓到ADC模擬輸入范圍內(nèi)進(jìn)行采集，具體電路如圖2所示。整流側(cè)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(diào)理電路調(diào)整，具體電路如圖3所示。

圖2 電流檢測(cè)電路

圖3 電壓檢測(cè)電路

2.5 測(cè)速電路設(shè)計(jì)

電機(jī)轉(zhuǎn)速可用光電編碼器獲取。在固定的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)增量型光電編碼器輸出的信號(hào)的讀取，運(yùn)算得到速度量。光電編碼器信號(hào)需經(jīng)過(guò)高速光耦6N134，最終連接到TMS320F28335的eQEP模塊的QEP1A和QEP1B引腳進(jìn)行處理。電路如圖4所示。

圖4 測(cè)速電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)，初始化中斷、初始化系統(tǒng)外設(shè)和循環(huán)等待等任務(wù)。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

PWM中斷子程序主要通過(guò)完成SVPWM算法的計(jì)算，然后3個(gè)PWM模塊輸出波形控制IPM中6個(gè)VT的開關(guān)，每個(gè)PWM模塊產(chǎn)生帶死區(qū)的兩個(gè)互補(bǔ)的PWM波。

故障中斷子程序主要用于當(dāng)TMS320F28335接收到IPM的過(guò)流、欠壓、短路等故障信號(hào)時(shí)，立刻響應(yīng)中斷，切斷所有PWM信號(hào)，保證系統(tǒng)和IPM功率模塊不受損壞。

4 測(cè)試驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)中，使用的電機(jī)是一個(gè)3相交流異步電機(jī)，其額定頻率50Hz，額定電壓380V。通過(guò)測(cè)試，電機(jī)在5～50Hz內(nèi)可進(jìn)行平滑的變頻調(diào)速，電機(jī)分別在10Hz、25Hz、50Hz時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了SVPWM方法的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于SVPWM的U/F調(diào)速控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的總體框架和詳細(xì)的SVPWM實(shí)現(xiàn)過(guò)程。給出了基于TI的TMS320F28335 DSP控制器的設(shè)計(jì)方案，測(cè)試結(jié)果表明了設(shè)計(jì)的可行性。SVPWM技術(shù)更有效地利用了直流母線電壓，在變頻家電、工業(yè)風(fēng)機(jī)、工業(yè)泵機(jī)等場(chǎng)合具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)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）

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