基于DSP技術(shù)的通用型數字變頻器系統設計

　　DSP技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛的應用在了控制芯片的研發(fā)設計中，這也為數字技術(shù)的應用提供了更多的便利。今天我們將會(huì )為大家分享一種基于DSP芯片的通用型數字變頻器系統的設計方案，該種方案具有設計簡(jiǎn)便、穩定性好、反應靈敏等優(yōu)勢，希望能夠對各位工程師的研發(fā)工作提供一定的借鑒和幫助。

　　在本方案中，我們所設計的這種能夠多方面通用的數字控制變頻器，其電路系統主要由主電路和控制電路組成。主電路采用典型的電壓型交-直-交通用變頻器結構?？刂齐娐分饕?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/DSP">DSP數字控制器，由DSP、驅動(dòng)電路、檢測電路、保護電路以及輔助電源電路組成。主電路和控制電路原理系統結構框圖如下圖圖1所示。

　　圖1系統結構框圖

　　主電路設計

　　在圖1所給出的系統結構框圖設計基礎上，我們所設計的通用型數字控制變頻器主電路的原理結構圖如下圖圖2所示?？梢钥吹?，在這一方案中，其主電路結構由濾波、整流、中間濾波、泵升吸收和逆變部分組成。輸入功率級采用三相橋式不可控全波整流電路，整流輸出經(jīng)過(guò)中間環(huán)節大電容濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過(guò)功率管的導通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。整流電路將交流動(dòng)力電變?yōu)橹绷麟?，本系統采用不可控全波整流模塊6RI75G-120。

　　圖2 主電路原理結構圖

　　在主電路的設計過(guò)程中，我們?yōu)榱擞行Х乐辜夥咫妷簩φ麟娐返臎_擊，故而在直流輸出側并聯(lián)了一個(gè)可吸收高頻電壓的聚脂乙烯電容C4，該電容的取值為0.22μF。整流電路輸出的直流電壓含有脈動(dòng)成分，逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流及負載變化也為直流電壓脈動(dòng)，由C1、C2濾波，取值為450V、470μF。在圖2所給出的主電路結構圖中，R2、R3為均壓電阻，取值為5W、100kΩ;R1為充電限流電阻。啟動(dòng)變頻器后經(jīng)1s～2s，由J2繼電器短路，以減少變頻器正常工作時(shí)在中間直流環(huán)節上的功耗。

　　在本方案中，這種通用型數字變頻器其逆變部分電路，主要采用EUPEC的FF300R12KE3集成模塊，這種集成模塊的內部集成了2個(gè)IGBT單元，故而比較適合變頻逆變驅動(dòng)，其具體極限參數為集射極電壓VCES=1200V，結溫80℃時(shí)集射極電流ICE=300A，結溫25℃時(shí)集射極電流ICE=480A，允許過(guò)流600A，時(shí)間為1ms，功率損耗為1450W，門(mén)極驅動(dòng)電壓為±20V。

　　通過(guò)圖2我們可以很清晰的看到，在這種通用型數字變頻器的主電路系統中，TL、RL構成了一個(gè)泵升電壓吸收電路。當電機負載進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導致直流電壓上升。當直流電壓上升到一定值時(shí)，控制TL導通，將會(huì )使這部分能量消耗在電阻RL上，以此來(lái)確保變頻器可靠安全地工作。此外，由J1常閉觸點(diǎn)與R4組成斷電能量釋放電路。當系統發(fā)生故障或關(guān)機時(shí)，繼電器J1斷電，通過(guò)其常開(kāi)觸點(diǎn)，將變頻器與電網(wǎng)斷開(kāi);而常閉觸點(diǎn)閉合，利用R4為中間回路大電容所儲存的能量提高釋放通道。

　　基于DSP的控制電路設計

　　在本方案的設計過(guò)程中，我們所采用的DSP技術(shù)集成芯片為T(mén)MS320F2812，以該芯片為核心的數字控制電路如下圖圖3所示。從圖3中可以非常清晰的看出，這一控制電路系統主要包括：DSP及其外圍電路、信號檢測與調理電路、驅動(dòng)電路和保護電路。其中，信號檢測與調理電路主要完成對圖2輸出電流和輸出電壓采樣、A/D等功能，DSP產(chǎn)生脈沖信號，通過(guò)D/A轉換后驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管U1～U6。

　　圖3 變頻器數字控制系統框圖

　　由于我們所采用的這種DSP芯片TMS320LF240，其本身就已經(jīng)在內部集成了采樣保持電路和模擬多路轉換器的雙十位A/D轉換，因此為了盡量充分利用芯片資源，在本方案中我們特別采用了片內A/D轉換進(jìn)行設計。使用雙減法電流采樣電路，采樣方案中的運算放大器是TLC2274，則第一運放U8A的輸出電壓為：

　　其中R1=R2，R3=Rn，則：

　　同樣的，第二運放U8A的輸出電壓可以計算為：

　　在上述三個(gè)計算公式的基礎上，我們可以得出該變頻器數字控制的整個(gè)流程：從霍爾電流傳感器輸出的Ui=2.5±△V，此電壓先后施加到由TLC2274構成的兩個(gè)減法電路上，第一路以Ui減去傳感器采樣結果的中值參考電壓2.5V，然后再線(xiàn)性放大到A/D采樣所要求的電壓范圍。第二路則相反，再中值參考電壓Uref減去傳感器輸出電壓Ui，同樣也線(xiàn)性放大到合適的電壓范圍。在變頻器數字控制系統的設計中，Z1、Z2為兩個(gè)3.3V的穩壓二極管，對運放輸出電壓起到限幅作用。當Ui值>Uref時(shí)，則Uo1輸出為正電壓，且電壓范圍是0-3.3V，而由于二極管D2的存在使得電流不能注入到運放中，故而第二路運放不能輸出負電壓，而是鉗位在0V。當Ui值

　　在進(jìn)行這一通用型數字變頻器的系統設計過(guò)程中，還有一個(gè)問(wèn)題需要我們特別注意，那就是由于電機啟動(dòng)時(shí)的電流非常大或因控制回路、驅動(dòng)電路等誤動(dòng)作，會(huì )造成輸出電路短路等故障，因此需要一種能快速檢測出過(guò)大電流的電路。這里我們主要采用2SD315A自身檢測和檢測直流母線(xiàn)的雙重檢測以及在故障發(fā)生時(shí)，采用軟、硬件同時(shí)封鎖的方法。為有效地保護功率IGBT和直流濾波電容，在該系統中我們還設計了母線(xiàn)電壓過(guò)欠壓保護電路，故障檢測原理如圖4所示。圖4中，6N138為一個(gè)線(xiàn)性光電隔離器，輸出電壓信號與母線(xiàn)電壓成正比，當通過(guò)光電隔離器件后，可以直接供給DSP控制系統進(jìn)行采樣。同時(shí)，將輸出Vlimit信號送至DSP，觸發(fā)中斷保護。

　　圖4 故障檢測原理圖

　　系統控制算法軟件實(shí)現

　　基于DSP技術(shù)的數字控制是本方案中的設計重點(diǎn)，該種數字控制系統主程序圖如下圖圖5所示。在本方案中的算法設計中，主程序模塊主要功能是完成系統的初始化，PLL時(shí)鐘的設定：DSP工作頻率設為20MHz。輸入輸出端口初始化。事件管理器初始化。定時(shí)器1、2、3的設定、全比較PWM單元設定、死區單元設定。QEP工作方式設定。中斷管理初始化：中斷除復位、NMI位，只允許PDPINT、中斷3。PDPINT是功率設備保護中斷，中斷3用于系統完成控制算法。

　　圖5 數字控制系統主程序圖

　　以上就是本文所介紹的一種基于DSP技術(shù)的通用型數字控制變頻器系統設計方案，希望能夠對各位工程師的日常研發(fā)和設計工作有所幫助。