變頻器知識(shí)大全：控制篇

　　控制篇

　　通用變頻器中基于DSP的數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵，就是要沒(méi)計(jì)一個(gè)合理的變頻器，而它的核心就是變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制器。變頻器的數(shù)字控制器包括信號(hào)的檢測(cè)、濾波、整形，核心算法的實(shí)時(shí)完成以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生，系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)等功能。

　　變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件部分，包括微處理器、接口電路及外圍設(shè)備，其中微處理器是系統(tǒng)的控制核心，它通過(guò)內(nèi)部控制程序，對(duì)從輸入接口輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成控制計(jì)算等工作，通過(guò)輸出接口電路向外圍發(fā)出各種控制信號(hào)，外圍設(shè)備除了檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還包括各種操作、顯示以及通信設(shè)備。

　　本文采用TI公司的TMS320F240自行設(shè)計(jì)了一款用于高速電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制器，頻率可以通過(guò)鍵盤數(shù)字給定或者模擬給定，同時(shí)對(duì)它的功能和技術(shù)做了簡(jiǎn)要的分析，并給出了電機(jī)在18000r/min穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)控制器的輸出波形。

　　1 數(shù)字控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖和工作原理

　　數(shù)字控制器的硬件以TMS320F240定點(diǎn)DSP為CPU，CY7C199為外部數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器各32K；16路的模擬/數(shù)字輸入通道，其中一路可以用來(lái)進(jìn)行模擬頻率給定；使用了8位數(shù)字I/O口，可以用鍵盤通過(guò)I/O口來(lái)進(jìn)行數(shù)字頻率給定；4路12位的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換通道，用于電機(jī)輸出信號(hào)控制；RS232和SPI系列兼容接口，其中將SPI用作變頻調(diào)速時(shí)電機(jī)頻率的LED顯示，將SCI口擴(kuò)充成RS232接口，其功能布置框圖如圖1所示。

　　圖1：數(shù)字控制器的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

　　電機(jī)或者逆變器的工作頻率通過(guò)鍵盤給定，同時(shí)，其頻率顯示通過(guò)DSP內(nèi)部的顯示程序回顯在LED上，當(dāng)按下運(yùn)行鍵以后，鍵盤設(shè)計(jì)頻率被送到產(chǎn)生空間電壓矢量的SVPWM處理子程序，生成的SVPWM波形通過(guò)GAL器件保護(hù)后輸出，與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)或者變頻器的實(shí)時(shí)運(yùn)行動(dòng)態(tài)頻率通過(guò)LED顯示。正交編碼脈沖可以接入電機(jī)的光電編碼器，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成速度環(huán)反饋，A/D模塊可以接入電機(jī)的電流環(huán)，至于變頻調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)中斷源由DSP的引腳PDPINT提供，主要是過(guò)壓、過(guò)流、控制電壓欠壓、過(guò)熱等中斷源。電機(jī)的速度或者逆變器的輸出頻率可以通過(guò)鍵盤改變。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)字信號(hào)處理器是數(shù)字控制器的核心部分，也是數(shù)字控制器對(duì)信號(hào)的檢測(cè)、濾波、整形，核心算法的實(shí)時(shí)完成以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生，系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)等功能的核心部分。數(shù)字控制器的功能模塊設(shè)計(jì)如下。

　　2.l 數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)

　　DSP是一種高速存取器件，對(duì)于外圍接口芯片有較高的要求，雖然DSP本身可以軟件提供0~7個(gè)等待狀態(tài)來(lái)滿足與片外存取器件速度的匹配，但是為了不至于影響整個(gè)系統(tǒng)的控制和仿真功能，一般采用存取速度比較高的存儲(chǔ)器來(lái)做為DSP的片外數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器。本文采用CY7C199存儲(chǔ)器，存取時(shí)間15ns，完全不用提供軟件等待狀態(tài)也不用加硬件等待電路，因?yàn)?，CY7C199是32K的8位存儲(chǔ)器，所以，使用了4片該存儲(chǔ)器組成了32K的16位存儲(chǔ)器RAM，數(shù)據(jù)和程序各32K。

　　2.2 DSP復(fù)位及時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

　　為了使系統(tǒng)被復(fù)位信號(hào)正確地初始化，對(duì)復(fù)位信號(hào)的脈沖寬度必須有一定的要求。對(duì)于TMS320F240而言，復(fù)位信號(hào)至少要lms。不過(guò)上電之后，系統(tǒng)的振蕩器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)需要20ms甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)上電復(fù)位時(shí)，在復(fù)位引腳上置100~200ms的一個(gè)低電平脈沖是比較合適的。根據(jù)這一原則，采用MAXIM公司的集成微處理器監(jiān)控復(fù)位電路來(lái)完成，本文使用了MAX705。MAX705監(jiān)控芯片，與傳統(tǒng)的分立元器件組成的微機(jī)監(jiān)控電路比較，它的可靠性高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，功耗小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、體積小，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已得到廣泛的應(yīng)用。

　　在設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘往往不被人充分地重視，其實(shí)，時(shí)鐘是電路設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。DSP時(shí)鐘既可由外部提供，亦可由板上的振蕩器來(lái)提供。由于DSP及其它芯片工作都是以時(shí)鐘為基準(zhǔn)的，如果時(shí)鐘質(zhì)量不高，那么系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就很難保證。本文采用外部時(shí)鐘輸入，由有源晶振產(chǎn)生10MHz脈沖，通過(guò)覆銅和串接LC濾波電路來(lái)抑制外界干擾，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

　　2.3 RS232的串行口電路設(shè)計(jì)

　　RS232是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)于1960年發(fā)布的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，目前應(yīng)用廣泛的是RS232C和RS232D。

　　RS232C的標(biāo)準(zhǔn)連接為DB25．但在實(shí)際應(yīng)用中采用非標(biāo)準(zhǔn)的DB9連接，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要對(duì)定義的引腳進(jìn)行取舍。RS232C電氣特性最大的特點(diǎn)是采用了負(fù)邏輯，邏輯l的電平是-3V~-15V，邏輯0的電平是+3V~+15V，因此，在使用中有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換接口的問(wèn)題。本文中采用自升壓的集成芯片MAX232C來(lái)構(gòu)成，只由+5V電源來(lái)供電，電平轉(zhuǎn)換所需的±10V電源由片內(nèi)電荷泵產(chǎn)生。在控制器做好以后，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)的串行通信接口（SCI）檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)通信收發(fā)正常，能夠穩(wěn)定工作。

　　2.4 D/A輸出功能塊的設(shè)計(jì)

　　在數(shù)字控制系統(tǒng)中，D/A和A/D電路是必不可少的，根據(jù)各種運(yùn)用場(chǎng)合不同，系統(tǒng)對(duì)D/A、A/D的速度要求也不一樣。本文中使用的是并行輸入的D/A芯片DAC7625，它是12位數(shù)據(jù)并行輸入，4路模擬輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。其建立時(shí)間是10μs，功耗20mW，電源可以采用單電源+5V和雙電源±5V供電，廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集等。數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的數(shù)據(jù)輸入來(lái)自DSP的高12位，通過(guò)74LS245送到DAC7625的數(shù)據(jù)端，采用單電源+5V供電，參考電壓VHEFH使用精密穩(wěn)壓器件提供的+2.5V，VHEFL模擬地，其輸出通

　　過(guò)運(yùn)算放大器TLCH2272進(jìn)行放大，輸出范圍為0~+5V。

　　2.5 鍵盤輸入接口電路和LED顯示電路設(shè)計(jì)

　　鍵盤和七段LED顯示器是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最常用的輸入、輸出沒(méi)備。它是實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間進(jìn)行信息交換的主要通路。鍵盤的功能就是把人們要處理的數(shù)據(jù)、命令等轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)識(shí)？e的二進(jìn)制代碼，即計(jì)算機(jī)能識(shí)別的符號(hào)；七段LED顯示器則是把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果、狀態(tài)等代碼轉(zhuǎn)換成為人們能識(shí)？e的符號(hào)顯示出來(lái)。鍵盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要輸入沒(méi)備，特？e是在微處理器中，鍵盤設(shè)汁成為必然。本文在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到DSP處理速度的快速性，對(duì)于鍵盤去抖動(dòng)環(huán)節(jié)，采用了硬件延時(shí)電路，具體電路如圖2所示。

　　圖2：數(shù)字控制器中DSP鍵盤輸入接口電路。

　　七段LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種連接方式。動(dòng)態(tài)掃描方式節(jié)省硬件，常用的BCD七段譯碼驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路有兩種，如Intel 8279、Max 7219等，控制器中采用MAX7219芯片。DSP具有一個(gè)與外設(shè)打交道的串行接口SPl，這為串行接門顯示提供了方便。MAX7219足一種串行的共陰極LED數(shù)字顯示驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)沒(méi)多個(gè)控制和數(shù)據(jù)寄存器，其工作方式可通過(guò)編程靈活地設(shè)計(jì)，它是體積小、功能強(qiáng)大、使用靈活方便的串行接口。應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題就是，MAX7219抗，EMI能力比較差， 相對(duì)而言用MAX7221比較可靠一點(diǎn)。另外一個(gè)問(wèn)題是，說(shuō)明書中雖然說(shuō)寄存器可以使用任意數(shù)字，比如說(shuō)數(shù)據(jù)格式中的高4位用的是XXXX來(lái)表示，但是，在實(shí)際應(yīng)用中最好使用非零位，本文采用1111來(lái)表示，可以增加抗干擾能力。另外，在串行數(shù)據(jù)線和電源中必須加適量電容，以提高抗干擾能力，特別是電源尤其要注意，如果波動(dòng)比較大的話，MAX7219比較容易損壞。

　　2.6 SVPWM脈沖輸出模塊的設(shè)計(jì)

　　空間電壓矢量SVPWM脈沖輸出是數(shù)字控制器中的關(guān)鍵部分，電機(jī)調(diào)速或者逆變器的頻率就是由SVPWM波形來(lái)控制的。為了防止逆變器的上下橋臂直通，雖然在DSP內(nèi)部編程可以加入死區(qū)？技洌？但是用微處理器產(chǎn)生的SVPWM脈沖可能由于程序跑飛而造