基于PS12034與DSP的通用變頻器設(shè)計(jì)

鄭召斌，李 猛

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津 300222）

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)入人們的日常生活，研究逆變技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)的科研人員越來越多，目前有許多文獻(xiàn)研究逆變器的控制算法，如自然坐標(biāo)系SVPWM四橋臂中頻逆變器調(diào)制策略研究[1]，兩種典型的三相SPWM逆變器電路比較[2]，一種三相SPWM逆變器的建模和控制方法[3]等。文獻(xiàn)[1]和[3]提出的控制算法新穎，但文獻(xiàn)[3]中僅是仿真算法，卻沒有詳細(xì)論述如何運(yùn)用現(xiàn)有的硬件條件來實(shí)現(xiàn)控制算法，不便于實(shí)際應(yīng)用。為此，研究一種可靠的硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)顯得尤為重要。在變頻器硬件設(shè)計(jì)方面，主要考慮功率驅(qū)動(dòng)器件的選擇與應(yīng)用，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案一般采用IGBT分立元件設(shè)計(jì)，即驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率開關(guān)器件選用單個(gè)IGBT元件。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中電路設(shè)計(jì)任務(wù)量大，電磁兼容性差，電路制作難度大，調(diào)試時(shí)容易引起逆變橋臂短路。PS12034功率模塊卻集成了三相整流橋、三相逆變橋以及IGBT驅(qū)動(dòng)電路，在實(shí)際使用中只需設(shè)計(jì)模塊正常工作所需的外圍器件和電源即可，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比具有硬件電路設(shè)計(jì)規(guī)模小、調(diào)試簡(jiǎn)單、電磁兼容性以及抗干擾能力強(qiáng)、變頻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、開發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)該方案進(jìn)行論述。

1 通用變頻器硬件設(shè)計(jì)分析

變頻器在硬件上主要由3部分構(gòu)成，即主電路、控制電路、電源電路[4]。變頻器外接三相交流電源、三相異步電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 PS12034功率模塊

PS12034功率模塊采用HVIC（highvoltageintegrated circuit）技術(shù)[5]，最高耐壓 1 200 V，最大電流 10 A，功率模塊的最大PWM輸入頻率為15 kHz，PS12034功率模塊集成三相整流橋、三相逆變橋、IGBT驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和系統(tǒng)控制電路、內(nèi)置熱敏電阻。該模塊集成了所有在設(shè)計(jì)變頻器時(shí)所用到的電路，方便簡(jiǎn)化了主電路的設(shè)計(jì)。

1.2 主電路設(shè)計(jì)

主電路以PS12034功率模塊為核心進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)PS12034模塊正常工作時(shí)所需的外圍元件。外圍元件結(jié)合PS12034內(nèi)部電路構(gòu)成變頻器整個(gè)主電路硬件系統(tǒng)，主電路原理圖如圖2所示。從PS12034引出SPWMHU、SPWMHV、SPWMHW、SPWMLU、SPWMLV、SPWMLW共6條信號(hào)線接收控制電路產(chǎn)生的SPWM信號(hào)；C1、C2、C3為自舉電容，為逆變橋上橋臂IGBT導(dǎo)通提供電源；C4、C5為整流濾波電容。

圖2 主電路原理圖

1.3 控制電路設(shè)計(jì)

1.3.1 主控制電路

主控制電路選用以TMS320F2812為核心的最小系統(tǒng)開發(fā)板，主控芯片選用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812型號(hào)的DSP；最小系統(tǒng)板有4位動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示和5個(gè)按鍵，提供系統(tǒng)調(diào)試開發(fā)使用，主控制電路如圖3所示。

1.3.2 延時(shí)電路設(shè)計(jì)

一般情況下，變頻器通電瞬間濾波電容過大的充電電流會(huì)導(dǎo)致三相整流橋損壞或使電源跳閘，因此在通電瞬間必須限制充電電流。在電路中設(shè)計(jì)限流電阻R3和繼電器KA，控制電路要保證變頻器在通電瞬間繼電器KA不動(dòng)作，限流電阻起限流作用，待圖3中C4、C5電容充滿電，繼電器KA動(dòng)作將限流電阻短接，延時(shí)電路如圖4所示。

圖3 主控制電路

1.3.3 電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖4 延時(shí)電路

TMS320F2812控制板的輸出驅(qū)動(dòng)電壓為3.3 V，而PS12034模塊的IGBT關(guān)斷電壓為3～5 V，低電平導(dǎo)通可以將控制板上TMS320F2812芯片的輸出引腳與主電路控制接口直接對(duì)應(yīng)相連，但為使IGBT可靠關(guān)斷，采用5 V關(guān)斷電壓，選用74HC245芯片實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 電平轉(zhuǎn)換電路

1.4 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)電源電路主要作用是為PS12034功率模塊提供 +15 V電源，為延時(shí)電路提供+24 V電源，為控制電路提供+5 V電源。選用輸入交流AC380 V/50 Hz輸出帶有+24 V、+15 V和+5 V的開關(guān)電源。

2 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要分析研究運(yùn)用TMS320F2812芯片通過配置寄存器等內(nèi)部資源產(chǎn)生SPWM波形，在CCSv5軟件上運(yùn)用C語言編寫程序配置寄存器及三相異步電動(dòng)機(jī)控制算法，并對(duì)該硬件設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行測(cè)試。

2.1 SPWM算法分析

SPWM是調(diào)制波與載波在交點(diǎn)時(shí)刻產(chǎn)生的控制信號(hào)，控制功率器件的通斷，得到一系列等幅不等寬的脈沖序列[6]。調(diào)制波在微控制器中是正弦函數(shù)，載波是通用定時(shí)器的寄存器加減產(chǎn)生虛擬三角波[7]，SPWM波形的算法采用規(guī)則采樣法[4]，如圖6所示。

圖6 規(guī)則采樣法

從圖6知，B、C兩點(diǎn)之間即為輸出的脈沖波形，每個(gè)載波周期均如此，則輸出的即是SPWM波形。結(jié)合TMS320F2812的片內(nèi)資源EVA模塊，用定時(shí)器產(chǎn)生虛擬三角載波，載波頻率固定為1.5 kHz，調(diào)制波頻率范圍為0～100 Hz。在程序中設(shè)置EVA模塊通用定時(shí)器的工作模式為連續(xù)加減的工作模式。通用定時(shí)器產(chǎn)生的虛擬三角載波是從0向上加計(jì)數(shù)到周期值，然后再向下減計(jì)數(shù)到0，中間沒有虛擬的負(fù)半波，如要產(chǎn)生雙極性SPWM波，需把坐標(biāo)原點(diǎn)定在三角波幅值的中點(diǎn)位置[8]。假設(shè)三角波幅值為u1，周期為T1，頻率為f1，正弦調(diào)制波函數(shù)為：

期望得到的正弦波的頻率為f2，將虛擬三角載波的頻率與期望得到的正弦調(diào)制信號(hào)的頻率之比定義為載波比N[8]，即：

把期望得到的正弦調(diào)制信號(hào)的幅值與虛擬三角載波信號(hào)的幅值之比定義為調(diào)制度M[8]，即：

從圖8中的幾何關(guān)系得到：

將式（3）代入式（4）得到：

式中：Ton為EVA中比較寄存器 CMPR1、CMPR2、CMPR3的值；T1為2倍通用定時(shí)器周期寄存器T1PR的值；ωt為采樣時(shí)刻，ωt=2kπ/N（k=0，1，2，…，N-1），代入式（5）得到：

對(duì)于三相 SPWM，U相、V相、W 相互差2π/3，均可通過計(jì)算得到。根據(jù)以上分析，將采樣計(jì)算設(shè)計(jì)成周期中斷程序，中斷程序流程如圖7所示。

2.2 死區(qū)時(shí)間設(shè)置

圖7 中斷程序流程

SPWM1和SPWM2信號(hào)控制逆變器上下2個(gè)橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷，SPWM1和SPWM2信號(hào)要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，根據(jù)PS12034功率模塊對(duì)信號(hào)的要求，設(shè)置死區(qū)時(shí)間為5 μs。通過設(shè)置TMS320F2812芯片死區(qū)控制寄存器 DBTCONx[8～11]位和 DBTCON[2～4]位來實(shí)現(xiàn)，同樣SPWM3和SPWM4、SPWM5和SPWM6設(shè)置相同。

2.3 恒壓頻比控制算法分析

變頻器輸出主要是控制三相異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，采用帶低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制方式[6]，輸出頻率在基頻以下調(diào)節(jié)時(shí)，保持電壓與頻率的比值恒定，而在基頻以上調(diào)節(jié)時(shí)，保持輸出為電動(dòng)機(jī)的額定電壓。

設(shè)計(jì)SPWM軟件算法時(shí)，通過控制調(diào)制度M的大小就可達(dá)到控制輸出電壓大小目的。理論上該參數(shù)取值在0～1之間，由于器件極限參數(shù)的影響，實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)M值最大為0.95。假設(shè)變頻器輸出電壓為U，補(bǔ)償電壓為Ua，輸出頻率為f2，異步電動(dòng)機(jī)額定電壓UN為380 V，額定頻率fN為50 Hz，調(diào)制度M計(jì)算式為：

電壓與頻率關(guān)系為：

將式（8）帶入式（7），得到帶有低頻補(bǔ)償?shù)腗值：

補(bǔ)償電壓Ua根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)每相繞組額定電流與繞組阻值確定，繞組阻值不同的異步電動(dòng)機(jī)Ua值不同，假設(shè)異步電動(dòng)機(jī)繞組星形連接，額定電流IN，每相繞組阻值R，電動(dòng)機(jī)在低頻額定電流狀態(tài)下運(yùn)行會(huì)發(fā)熱，低轉(zhuǎn)速下散熱能力變差，根據(jù)散熱情況確定額定電流的百分比，計(jì)算補(bǔ)償電壓時(shí)取額定電流的50%，補(bǔ)償電壓取值為：

如果異步電動(dòng)機(jī)繞組三角形連接，補(bǔ)償電壓取值為：

另外，在編寫程序時(shí)使輸出頻率f2為0時(shí)，M值強(qiáng)制為0，輸出電壓U為0；輸出頻率f2為基頻以上時(shí)，M值恒為0.95。

以上分析了變頻器輸出電壓與輸出頻率的關(guān)系，將上述公式運(yùn)用C語言做成異步電動(dòng)機(jī)控制參數(shù)計(jì)算的子程序供主程序調(diào)用。

2.4 主程序

主程序主要實(shí)現(xiàn)TMS320F2812芯片各模塊功能的初始化和配置，以上設(shè)計(jì)的各個(gè)功能模塊均做成了子程序，要想實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能需要在主程序中調(diào)用子程序，主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程

2.5 硬件系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試

制作好的變頻器按照主電路原理接線，整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)接線如圖9所示。

圖9 變頻調(diào)速系統(tǒng)接線

經(jīng)過調(diào)試，輸出電壓頻率為40 Hz時(shí)，采用雙蹤數(shù)字示波器測(cè)得SPWM1、SPWM2信號(hào)半個(gè)周期波形如圖10所示。根據(jù)圖10測(cè)得的波形可知，DSP產(chǎn)生的是對(duì)稱的雙極性SPWM波形。

圖10 示波器測(cè)得SPWM1、SPWM2信號(hào)半個(gè)周期波形

3 結(jié)語

本文實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用TMS320F2812芯片并根據(jù)規(guī)則采樣法獲取頻率可調(diào)的SPWM波形的方法，按照恒壓頻比控制算法控制異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，設(shè)計(jì)的通用變頻器輸出從0～100 Hz，驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)調(diào)速，測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可靠。應(yīng)用PS12034功率模塊設(shè)計(jì)制作變頻器，具有硬件電路設(shè)計(jì)規(guī)模小、調(diào)試簡(jiǎn)單、電磁兼容性以及抗干擾能力強(qiáng)、變頻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)開發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)，選用PS12034功率模塊設(shè)計(jì)通用變頻器具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。