基于DSP TMS320LF2406的通用變頻器的研發(fā)

0 引言

變頻器控制電機最基本的兩個輸出量是頻率和轉矩，通用變頻器由于其通用性而被廣泛地應用于各種場合。為滿足各種負載的要求，在通用變頻器中設計了靈活而豐富的頻率設定功能和頻率控制接口，為此通用變頻器中有上千條的功能指令參數(shù)，外部擁有基本的控制端子和可編程的控制端子。根據(jù)負載機械的具體要求，可選擇多種啟動和停機方式、頻率上下限設定、多段速運行設定等。頻率輸出值可用數(shù)字鍵盤設定，或利用輸入模擬控制端子來控制電機的速度。變頻器所具有的完善的保護功能，可使電機與變頻器同時獲得多種可靠的保護。

1 系統(tǒng)的基本結構

變頻器系統(tǒng)硬件電路一般可以分成三部分，功率主電路部分、控制電路部分以及檢測與驅動電路。本文軟件所用平臺為通用變頻器的典型交—直—交電壓源型主電路結構形式，控制部分采用DSP 芯片TMS320LF2406，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

控制系統(tǒng)主要功能包括對直流電壓、輸出電流、溫度、模擬輸入等的A/D采樣，I/O輸入輸出，數(shù)據(jù)通訊及顯示，速度檢測，故障檢測及電源管理等。本系統(tǒng)采用的是開環(huán)V/f控制，其系統(tǒng)控制圖如圖2所示。

該系統(tǒng)采用電壓空間矢量調制技術實現(xiàn)變壓變頻控制方式，可以由開環(huán)給定一個頻率值或者由系統(tǒng)中的某一參數(shù)和其反饋值經(jīng)過PI調節(jié)得到系統(tǒng)的輸出頻率，通過V/f 曲線得到一個電壓值，再由SVPWM波形發(fā)生器產(chǎn)生SVPWM觸發(fā)脈沖，這樣就可以通過改變功率器件IGBT 的占空比實現(xiàn)對輸出電壓的控制，而通過控制逆變橋的工作周期來控制輸出頻率。

在整個控制系統(tǒng)中，主要包括頻率斜坡函數(shù)發(fā)生器、V/f函數(shù)發(fā)生器、電流限制調節(jié)器、電壓限制調節(jié)器、轉差補償、力矩補償、PI調節(jié)等控制環(huán)節(jié)。圖2中的控制部分主要由數(shù)字化來實現(xiàn)，控制核心由DSP(數(shù)字化信號處理器)完成，其時鐘頻率為40 MHz。

2 系統(tǒng)的軟件設計

按控制系統(tǒng)軟件在DSP中的功能作用，可分為初始化模塊和執(zhí)行模塊兩大部分。初始化模塊的目的是建立起DSP應用環(huán)境;執(zhí)行模塊的目的是實現(xiàn)變頻器的控制功能，它又分為主循環(huán)模塊、中斷服務程序模塊。主循環(huán)模塊又稱等待循環(huán)程序模塊，主要執(zhí)行一些實時性要求不高的閑時功能模塊，例如通訊模塊、鍵盤模塊和V/f控制模塊;中斷服務程序模塊主要執(zhí)行一些實時性要求高的功能模塊，如SVPWM算法實現(xiàn)輸出模塊、A/D采樣模塊、時基模塊和軟件保護模塊。圖3和圖4分別給出系統(tǒng)的主程序流程圖和中斷程序流程圖。

3 主要功能程序實現(xiàn)

3.1 頻率變化輸出的加減速實現(xiàn)

電動機在啟動和停機過程中，或者是在負載不斷變化的過程中，變頻器會得到一個階躍頻率給定值，這樣將對系統(tǒng)產(chǎn)生過大的沖擊，頻率斜坡函數(shù)發(fā)生器的作用就是把階躍信號值轉變?yōu)樾逼滦盘栔担瓜到y(tǒng)的電壓、電流、頻率和電機轉速都能穩(wěn)定地上升和下降。斜率的大小由頻率加減速時間決定，本系統(tǒng)有4種可供選擇的加減速時間，可以通過鍵盤或控制端子的不同組合來確定，時間能夠精確到0.01 s，調頻的分辨率達到0.01 Hz，這主要是通過優(yōu)化的異步信號調制技術和DSP的高速處理能力來實現(xiàn)的。頻率斜坡函數(shù)的軟件實現(xiàn)如圖5所示，在此過程中，為了使輸出頻率與目標頻率嚴格一致，采取了一些細節(jié)處理，當加減速時間較短時，在加減速的過程中，每次頻率調節(jié)的data可能> 0.01 Hz，因此當目標頻率fn和被調節(jié)頻率fc之差駐f *與駐f不成整數(shù)倍時，會造成目標頻率與輸出頻率不一致。即

因此，最后一次調節(jié)的頻率是data0，頻率變化的具體流程圖如圖5所示。

3.2 帶力矩補償?shù)腣/f曲線的實現(xiàn)

在電機的啟動過程中，由于電機阻抗壓降的影響，并不能保證電機為恒磁通，尤其在剛啟動時，電機的阻抗壓降更不能忽略。對于普通的通用變頻器而言，V/f控制曲線的設置是其核心功能，既可以事先設置好固定的帶轉矩提升可選擇的V/f曲線，也可以根據(jù)負載具體要求由用戶自己設置曲線模式。具體如圖6 所示，其中：fmin 為最低輸出頻率，fA為中間輸出頻率，fB為基本輸出頻率，fmax為最高輸出頻率，Vmin最低輸出電壓，VA為中間輸出電壓，VB為基本輸出電壓，Vmax為最高輸出電壓。

由給定的頻率f，就可以由V/f曲線得出輸出電壓值UAC，流程圖如圖7所示。

3.3 故障保護

本系統(tǒng)中的故障保護是通過硬件中斷來實現(xiàn)的，由DSP的引腳PDPINTA向CPU申請中斷，CPU響應中斷后，首先關斷SVPWM 波形發(fā)生器，然后檢測中斷源，設置故障標志，通過通訊中斷及時向上位機送出故障類型。其流程如圖8所示。

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