基于DSP TMS320LF2406的通用变频器的研发

0 引言

变频器控制电机最基本的两个输出量是频率和转矩，通用变频器由于其通用性而被广泛地应用于各种场合。为满足各种负载的要求，在通用变频器中设计了灵活而丰富的频率设定功能和频率控制接口，为此通用变频器中有上千条的功能指令参数，外部拥有基本的控制端子和可编程的控制端子。根据负载机械的具体要求，可选择多种启动和停机方式、频率上下限设定、多段速运行设定等。频率输出值可用数字键盘设定，或利用输入模拟控制端子来控制电机的速度。变频器所具有的完善的保护功能，可使电机与变频器同时获得多种可靠的保护。

1 系统的基本结构

变频器系统硬件电路一般可以分成三部分，功率主电路部分、控制电路部分以及检测与驱动电路。本文软件所用平台为通用变频器的典型交—直—交电压源型主电路结构形式，控制部分采用DSP 芯片TMS320LF2406，系统结构框图如图1所示。

控制系统主要功能包括对直流电压、输出电流、温度、模拟输入等的A/D采样，I/O输入输出，数据通讯及显示，速度检测，故障检测及电源管理等。本系统采用的是开环V/f控制，其系统控制图如图2所示。

该系统采用电压空间矢量调制技术实现变压变频控制方式，可以由开环给定一个频率值或者由系统中的某一参数和其反馈值经过PI调节得到系统的输出频率，通过V/f 曲线得到一个电压值，再由SVPWM波形发生器产生SVPWM触发脉冲，这样就可以通过改变功率器件IGBT 的占空比实现对输出电压的控制，而通过控制逆变桥的工作周期来控制输出频率。

在整个控制系统中，主要包括频率斜坡函数发生器、V/f函数发生器、电流限制调节器、电压限制调节器、转差补偿、力矩补偿、PI调节等控制环节。图2中的控制部分主要由数字化来实现，控制核心由DSP(数字化信号处理器)完成，其时钟频率为40 MHz。

2 系统的软件设计

按控制系统软件在DSP中的功能作用，可分为初始化模块和执行模块两大部分。初始化模块的目的是建立起DSP应用环境;执行模块的目的是实现变频器的控制功能，它又分为主循环模块、中断服务程序模块。主循环模块又称等待循环程序模块，主要执行一些实时性要求不高的闲时功能模块，例如通讯模块、键盘模块和V/f控制模块;中断服务程序模块主要执行一些实时性要求高的功能模块，如SVPWM算法实现输出模块、A/D采样模块、时基模块和软件保护模块。图3和图4分别给出系统的主程序流程图和中断程序流程图。

3 主要功能程序实现

3.1 频率变化输出的加减速实现

电动机在启动和停机过程中，或者是在负载不断变化的过程中，变频器会得到一个阶跃频率给定值，这样将对系统产生过大的冲击，频率斜坡函数发生器的作用就是把阶跃信号值转变为斜坡信号值，使系统的电压、电流、频率和电机转速都能稳定地上升和下降。斜率的大小由频率加减速时间决定，本系统有4种可供选择的加减速时间，可以通过键盘或控制端子的不同组合来确定，时间能够精确到0.01 s，调频的分辨率达到0.01 Hz，这主要是通过优化的异步信号调制技术和DSP的高速处理能力来实现的。频率斜坡函数的软件实现如图5所示，在此过程中，为了使输出频率与目标频率严格一致，采取了一些细节处理，当加减速时间较短时，在加减速的过程中，每次频率调节的data可能> 0.01 Hz，因此当目标频率fn和被调节频率fc之差驻f *与驻f不成整数倍时，会造成目标频率与输出频率不一致。即

因此，最后一次调节的频率是data0，频率变化的具体流程图如图5所示。

3.2 带力矩补偿的V/f曲线的实现

在电机的启动过程中，由于电机阻抗压降的影响，并不能保证电机为恒磁通，尤其在刚启动时，电机的阻抗压降更不能忽略。对于普通的通用变频器而言，V/f控制曲线的设置是其核心功能，既可以事先设置好固定的带转矩提升可选择的V/f曲线，也可以根据负载具体要求由用户自己设置曲线模式。具体如图6 所示，其中：fmin 为最低输出频率，fA为中间输出频率，fB为基本输出频率，fmax为最高输出频率，Vmin最低输出电压，VA为中间输出电压，VB为基本输出电压，Vmax为最高输出电压。

由给定的频率f，就可以由V/f曲线得出输出电压值UAC，流程图如图7所示。

3.3 故障保护

本系统中的故障保护是通过硬件中断来实现的，由DSP的引脚PDPINTA向CPU申请中断，CPU响应中断后，首先关断SVPWM 波形发生器，然后检测中断源，设置故障标志，通过通讯中断及时向上位机送出故障类型。其流程如图8所示。

3.4 直流制动功能的实现

采用直流制动控制的目的：一是准确停车控制，二是禁止在起动前电机由外因引起的不规则自由旋转。直流制动即向异步电动机的定子通直流电，让异步电机的定子磁场不再旋转，转动着的转子切割这个静止磁场而产生制动转矩，使旋转系统存储的动能转换成电能消耗于异步电动机的转子回路中，此时异步电机处于能耗制动状态。

直流制动时向定子绕组中通直流电的方式有两种：

1)在三相绕组中通入直流电流，这时6 个IGBT中的3个处于工作状态，其余3 个一直处于关断状态，3个工作的管子应位于不同的桥臂，且在不同侧，触发信号的占空比可以根据调制度进行调节;

2)在两相绕组中通入直流电流，这时有2个位于不同桥臂的不同侧的IGBT工作，其余功率管都处于关断状态。

上述两种电路都存在定子绕组中通入的直流电与定子原来电流方向相反，di/dt较大，产生冲击电流，导致过电流保护误跳闸的问题。为了避免出现定子电流反向，产生过电流，本系统直流制动过程采用矢量直流制动，根据异步电机旋转磁场的产生机理和SVPWM追踪磁链定向的脉宽调制策略，当频率减速到直流制动频率时，置直流制动标志位，SVPWM调制方式中的旋转矢量停止，按当前的状态来控制功率管的开关，并给定直流制动矢量电压U(改变调制度)，然后开始直流制动计时，当直流制动时间到时，停止运行。直流制动软件控制流程如图9所示。

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轻载稳态运行情况，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。实验用电机的参数为：额定电压Un=380 V，额定电流In= 4.87 A，额定频率f=50 Hz，额定功率Pe=2 200W。

实验过程测试了在不同频率输出时电机的电流，如图10所示。从实验波形可以看出，其输出电流是正弦波，由于采用了死区补偿，即使在低频时，波形的畸变也不大。但从实验波形也可看出，有谐波产生，产生谐波的原因主要来自以下几个方面：

1)利用DSP产生的SVPWM波形，不能严格保证输出的PWM 波形的面积与理想中相对应的正弦波面积完全相等;

2)SVPWM波形控制方法本身不可避免地造成逆变器输出波形有所失真。

3)功率开关器件存在固有的开通与延时时间。

5 结语

通用变频系统软件主体部分已经调试完毕，实验结果证明该软件系统性能已满足设计要求。但程序系统仍有许多不足，如程序模块化、可移植性、接口统一及通用性较差。下一步的工作是对现有程序进行改进，在提高程序通用性、可移植性的同时，改进部分程序的算法，以提高系统软件的执行效率。