DSP在異步電機數字化變頻調速系統中的應用
摘要：以TI公司的TMS320LF2407為核心，設計了交流變頻調速系統，實現了變壓、變頻調速。詳細介紹了系統硬件結構及軟件設計中SPWM的產生方法，實驗結果表明系統運行性能良好。
關鍵字：變頻調速；SPWM；數字信號處理器（DSP）
隨著電力電子技術的提高，以高性能微處理器為核心的數字化變頻調速系統，以其調速范圍寬、效率高、動態性能好等特點，越來越廣泛地應用在交流調速領域[1]。數字信號處理器（DSP）作為高速專用的微處理器，運算功能強大，數據傳輸速度快，在數字控制領域應用廣泛。其中，美國TI公司的高性能16位DSP –TMS320LF2407，是專門為電機控制設計的，它內部自帶了PWM輸出單元，易于編程實現三相空間互差120o的SPWM波形，特別適合三相電機的高性能控制[2]。它處理速度很快，并且片內集成了豐富的外設，極大地減少了系統設計的元器件數量，提高了系統的控制精度。
1、 系統總體設計
基于DSP的數字控制變頻調速系統的原理框圖如圖1所示。
圖1 數字控制變頻調速系統的原理框圖
主回路由三相整流電路、大電容濾波電路和PWM逆變電路構成，PWM逆變電路使用了全控開關器件IGBT，即絕緣柵型雙極晶體管。它集合了MOSFET和GTR的優點，輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好，而且耐壓高、容量大，驅動電路簡單，很適合在電機拖動場合的逆變器電路上應用。
控制電路由DSP芯片、驅動電路和鍵盤顯示等外圍電路構成。DSP芯片處理由鍵盤輸入的控制信號，一方面輸出到顯示部分顯示電機的運行信息，另一方面輸出SPWM信號到驅動電路，從而控制逆變電路中的6個IGBT的通斷，達到控制電機轉速的目的。此外，DSP芯片還控制限流電阻R的切除。為避免大濾波電容在合上電源開關通電瞬間產生過大的充電電流，設計中在整流器和濾波電容間的直流回路上串聯了限流電阻R，剛通電時，R接入電路，經過一定時間，DSP芯片控制開關S將R短路，以免變頻器正常工作時產生附加損耗。
檢測電路由電流檢測和電壓檢測組成。電流和電壓均采用霍爾元件檢測，以滿足精度的要求。電流檢測有兩部分，一個是對定子電流檢測，另一個是對主電路電流檢測，當檢測到主電路電流過流時，就會立即給DSP發送信號，封鎖SPWM波形的輸出。對這兩類信號檢測，送入DSP芯片進行處理，可以實現電機的過流和過壓保護，提高電機運行性能。
2、 硬件設計
設計中硬件主要是以DSP為核心，除了利用了TMS320LF2407本身的一些功能模塊外，還在此基礎上進行了擴展，最終實現SPWM信號的產生、模擬量的采集、數據的輸入輸出等功能，構成了完整的調速系統。
TMS320LF2407的指令執行速度為30MIPS（指令周期只有33ns），它不僅片內有豐富的存儲器資源，而且還有可擴展的多達192K字空間的外部存儲器。它有兩個事件管理器模塊（EVA和EVB），可以用來控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。 它的片內集成了豐富的外設，極大地減少了系統設計的元器件數量。從系統的結構圖中可以看到，設計中主要使用了它的A/D轉換模塊、EVB模塊、IO口和JTAG接口。
2407的帶內置采樣/保持的10位A/D轉換器，其最小轉換時間為500ns，可以選擇由兩個事件管理器來觸發兩個8通道輸入A/D轉換器或一個16通道輸入的A/D轉換器。設計中由于只對電壓、電流進行了采樣，所以只用到了2個采樣通道，分別為ADCIN0和ADCIN1。
兩個事件管理器模塊EVA、EVB，每個都包括兩個l 6位通用定時器和8個16位的脈寬調制（PWM）通道。利用它們可以產生PWM的對稱和非對稱波形；在當外部引腳/PDPINTx出現低電平時能快速關閉PWM通道；并可使用可編程的PWM死區控制來防止上、下橋臂同時輸出觸發脈沖。 設計中用到了EVB模塊的PWM7～PWM12管腳，輸出6路對稱的SPWM信號，通過驅動電路控制IGBT的通斷。使用引腳/PDPINTB來檢測外部故障信號，以便在故障發生時能快速關閉PWM通道。
2407的數字輸入輸出模塊有高達40個可單獨編程或復用的通用輸入輸出引腳。這些引腳的功能可通過兩種控制寄存器來設置：I/O口復用控制寄存器（MCRx）和數據和方向控制寄存器（PxDATDIR）。設計中用到了IOPB0～IOPB5作為鍵盤的輸入，控制電機頻率的增、減和電機的正反轉。每按頻率增加鍵一次，頻率增加1；按頻率減小鍵，頻率減小1，增減的幅度是由內部編程設定的。另外還使用了IOPC1～IOPC3管腳與LCD液晶顯示模塊12232F進行數據傳輸，用來顯示轉速信息及瞬時頻率。12232F內置了漢字庫和ASCII字符集，可完成圖形顯示，也可顯示16*16點陣的漢字。與外部CPU接口可采用并行或串行方式控制，本系統中為減少數據口的使用，同時與DSP更好地接口，采用了串行控制的方式。
JTAG接口可以克服TMS320LF2407結構復雜、工作速度快、外部引腳多、封裝面積小、引腳排列密集等因素造成的不便，能夠極其方便地提供硬件系統的在線仿真和測試。
簡而言之，硬件部分采用了測試集成的設計思想，以DSP為基礎，設計輸入輸出電路實現參數的設置和顯示，配置相應的傳感器模塊對電機的電壓、電流參數進行測量，實現了對電機運動狀態的控制和觀測。
3、 軟件設計
DSP程序的編寫可以用匯編語言，也可以使用C語言。一般來說，采用C語言設計的開發周期短，效率較高，并且移植性好，利于實現模塊化、組態化的設計目標，所以設計中的程序也是用C語言編寫的[3]。主程序流程圖如圖2所示：
軟件設計的一個關鍵部分是控制電路中6路SPWM信號的產生。要使用TMS320LF2407自身的PWM輸出口，編程實現三相空間互差120o的SPWM波形的輸出，可利用事件管理器模塊B中的通用定時器3及與之相關的比較單元來完成。每個通用定時器都有3個與之相關的比較器，每個比較單元都可設置為PWM模式，且它對應會有兩個極性相反的PWM輸出。所以，用3個比較單元可以實現6路的PWM信號，滿足系統設計的需求。
程序設計方面，采用了在線計算占空比、用三角波作為載波的規則采樣法，得到一系列幅值相等但寬度不等的矩形波。
利用上述公式計算出占空比，然后與周期寄存器T3PR中的值相乘，再送往對應的比較寄存器CMPR4～CMPR6，就會在對應的管腳輸出對稱的SPWM波。
調制方法分同步調制法和異步調制法[4]。但異步法的輸出波形對稱性差，脈沖相位和個數不固定；同步法在調制波的頻率很低時，由調制帶來的諧波不易濾除，當調制波頻率很高時，開關元件又難以承受。所以，設計中采用了分段同步調制的方法來解決這一問題。具體實現為：把調制波頻率分為幾個頻段，在各個頻段內保持載波比N恒定，不同頻段的載波比N不同。選取原則為：輸出頻率高的頻段用低載波比，輸出頻率低的頻段用高載波比。同時，為了得到嚴格對稱的雙極性SPWM波形，載波比應選3的整數倍且為奇數。設計中將頻段分為3段，小于15Hz為一段，載波比選153；15Hz～35Hz為一段，載波比選93；35Hz以上為一段，載波比選21。分段同步的方法雖然比較復雜，但控制的精度比較高，輸出波形的效果也比較好。
對于AD采樣部分，只需設置定時器進行定時采樣，然后將得到的值與設定的最大值進行比較，檢測是否過流及過壓；對于與液晶顯示模塊間的數據傳輸，因是串行，只需查表將對應的字符碼按照12232F的傳輸協議進行數據傳輸即可。此部分程序相對較易實現。
實驗測試出的SPWM波形如圖3、圖4所示：
圖3 相差120度的兩相脈沖波形
圖4 波形互補的上下橋臂SPWM波形
4、 總結
該系統實現了異步電機的變壓變頻調速，輸出了具有良好特性的SPWM波形。由實驗結果可以看出，該系統的控制精度高、動態響應快，系統整體結構簡單，穩定性好，易于廣泛使用于交流調速系統中。
關鍵字：變頻調速；SPWM；數字信號處理器（DSP）
隨著電力電子技術的提高，以高性能微處理器為核心的數字化變頻調速系統，以其調速范圍寬、效率高、動態性能好等特點，越來越廣泛地應用在交流調速領域[1]。數字信號處理器（DSP）作為高速專用的微處理器，運算功能強大，數據傳輸速度快，在數字控制領域應用廣泛。其中，美國TI公司的高性能16位DSP –TMS320LF2407，是專門為電機控制設計的，它內部自帶了PWM輸出單元，易于編程實現三相空間互差120o的SPWM波形，特別適合三相電機的高性能控制[2]。它處理速度很快，并且片內集成了豐富的外設，極大地減少了系統設計的元器件數量，提高了系統的控制精度。
1、 系統總體設計
基于DSP的數字控制變頻調速系統的原理框圖如圖1所示。
圖1 數字控制變頻調速系統的原理框圖
主回路由三相整流電路、大電容濾波電路和PWM逆變電路構成，PWM逆變電路使用了全控開關器件IGBT，即絕緣柵型雙極晶體管。它集合了MOSFET和GTR的優點，輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好，而且耐壓高、容量大，驅動電路簡單，很適合在電機拖動場合的逆變器電路上應用。
控制電路由DSP芯片、驅動電路和鍵盤顯示等外圍電路構成。DSP芯片處理由鍵盤輸入的控制信號，一方面輸出到顯示部分顯示電機的運行信息，另一方面輸出SPWM信號到驅動電路，從而控制逆變電路中的6個IGBT的通斷，達到控制電機轉速的目的。此外，DSP芯片還控制限流電阻R的切除。為避免大濾波電容在合上電源開關通電瞬間產生過大的充電電流，設計中在整流器和濾波電容間的直流回路上串聯了限流電阻R，剛通電時，R接入電路，經過一定時間，DSP芯片控制開關S將R短路，以免變頻器正常工作時產生附加損耗。
檢測電路由電流檢測和電壓檢測組成。電流和電壓均采用霍爾元件檢測，以滿足精度的要求。電流檢測有兩部分，一個是對定子電流檢測，另一個是對主電路電流檢測，當檢測到主電路電流過流時，就會立即給DSP發送信號，封鎖SPWM波形的輸出。對這兩類信號檢測，送入DSP芯片進行處理，可以實現電機的過流和過壓保護，提高電機運行性能。
2、 硬件設計
設計中硬件主要是以DSP為核心，除了利用了TMS320LF2407本身的一些功能模塊外，還在此基礎上進行了擴展，最終實現SPWM信號的產生、模擬量的采集、數據的輸入輸出等功能，構成了完整的調速系統。
TMS320LF2407的指令執行速度為30MIPS（指令周期只有33ns），它不僅片內有豐富的存儲器資源，而且還有可擴展的多達192K字空間的外部存儲器。它有兩個事件管理器模塊（EVA和EVB），可以用來控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。 它的片內集成了豐富的外設，極大地減少了系統設計的元器件數量。從系統的結構圖中可以看到，設計中主要使用了它的A/D轉換模塊、EVB模塊、IO口和JTAG接口。
2407的帶內置采樣/保持的10位A/D轉換器，其最小轉換時間為500ns，可以選擇由兩個事件管理器來觸發兩個8通道輸入A/D轉換器或一個16通道輸入的A/D轉換器。設計中由于只對電壓、電流進行了采樣，所以只用到了2個采樣通道，分別為ADCIN0和ADCIN1。
兩個事件管理器模塊EVA、EVB，每個都包括兩個l 6位通用定時器和8個16位的脈寬調制（PWM）通道。利用它們可以產生PWM的對稱和非對稱波形；在當外部引腳/PDPINTx出現低電平時能快速關閉PWM通道；并可使用可編程的PWM死區控制來防止上、下橋臂同時輸出觸發脈沖。 設計中用到了EVB模塊的PWM7～PWM12管腳，輸出6路對稱的SPWM信號，通過驅動電路控制IGBT的通斷。使用引腳/PDPINTB來檢測外部故障信號，以便在故障發生時能快速關閉PWM通道。
2407的數字輸入輸出模塊有高達40個可單獨編程或復用的通用輸入輸出引腳。這些引腳的功能可通過兩種控制寄存器來設置：I/O口復用控制寄存器（MCRx）和數據和方向控制寄存器（PxDATDIR）。設計中用到了IOPB0～IOPB5作為鍵盤的輸入，控制電機頻率的增、減和電機的正反轉。每按頻率增加鍵一次，頻率增加1；按頻率減小鍵，頻率減小1，增減的幅度是由內部編程設定的。另外還使用了IOPC1～IOPC3管腳與LCD液晶顯示模塊12232F進行數據傳輸，用來顯示轉速信息及瞬時頻率。12232F內置了漢字庫和ASCII字符集，可完成圖形顯示，也可顯示16*16點陣的漢字。與外部CPU接口可采用并行或串行方式控制，本系統中為減少數據口的使用，同時與DSP更好地接口，采用了串行控制的方式。
JTAG接口可以克服TMS320LF2407結構復雜、工作速度快、外部引腳多、封裝面積小、引腳排列密集等因素造成的不便，能夠極其方便地提供硬件系統的在線仿真和測試。
簡而言之，硬件部分采用了測試集成的設計思想，以DSP為基礎，設計輸入輸出電路實現參數的設置和顯示，配置相應的傳感器模塊對電機的電壓、電流參數進行測量，實現了對電機運動狀態的控制和觀測。
3、 軟件設計
DSP程序的編寫可以用匯編語言，也可以使用C語言。一般來說，采用C語言設計的開發周期短，效率較高，并且移植性好，利于實現模塊化、組態化的設計目標，所以設計中的程序也是用C語言編寫的[3]。主程序流程圖如圖2所示：
軟件設計的一個關鍵部分是控制電路中6路SPWM信號的產生。要使用TMS320LF2407自身的PWM輸出口，編程實現三相空間互差120o的SPWM波形的輸出，可利用事件管理器模塊B中的通用定時器3及與之相關的比較單元來完成。每個通用定時器都有3個與之相關的比較器，每個比較單元都可設置為PWM模式，且它對應會有兩個極性相反的PWM輸出。所以，用3個比較單元可以實現6路的PWM信號，滿足系統設計的需求。
程序設計方面，采用了在線計算占空比、用三角波作為載波的規則采樣法，得到一系列幅值相等但寬度不等的矩形波。
利用上述公式計算出占空比，然后與周期寄存器T3PR中的值相乘，再送往對應的比較寄存器CMPR4～CMPR6，就會在對應的管腳輸出對稱的SPWM波。
調制方法分同步調制法和異步調制法[4]。但異步法的輸出波形對稱性差，脈沖相位和個數不固定；同步法在調制波的頻率很低時，由調制帶來的諧波不易濾除，當調制波頻率很高時，開關元件又難以承受。所以，設計中采用了分段同步調制的方法來解決這一問題。具體實現為：把調制波頻率分為幾個頻段，在各個頻段內保持載波比N恒定，不同頻段的載波比N不同。選取原則為：輸出頻率高的頻段用低載波比，輸出頻率低的頻段用高載波比。同時，為了得到嚴格對稱的雙極性SPWM波形，載波比應選3的整數倍且為奇數。設計中將頻段分為3段，小于15Hz為一段，載波比選153；15Hz～35Hz為一段，載波比選93；35Hz以上為一段，載波比選21。分段同步的方法雖然比較復雜，但控制的精度比較高，輸出波形的效果也比較好。
對于AD采樣部分，只需設置定時器進行定時采樣，然后將得到的值與設定的最大值進行比較，檢測是否過流及過壓；對于與液晶顯示模塊間的數據傳輸，因是串行，只需查表將對應的字符碼按照12232F的傳輸協議進行數據傳輸即可。此部分程序相對較易實現。
實驗測試出的SPWM波形如圖3、圖4所示：
圖3 相差120度的兩相脈沖波形
圖4 波形互補的上下橋臂SPWM波形
4、 總結
該系統實現了異步電機的變壓變頻調速，輸出了具有良好特性的SPWM波形。由實驗結果可以看出，該系統的控制精度高、動態響應快，系統整體結構簡單，穩定性好，易于廣泛使用于交流調速系統中。
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