通用变频器中基于DSP的数字控制器实现

摘 要：介绍了一种以TMS320F240数字信号处理器为核心的异步电机调速系统的数字控制器的硬件和软件设计。介绍了该控制器的结构功能模块和对称空间电压矢量产生的软件流程，并对其中一些基本单元电路和技术进行了分析和讨论，最终给出了该控制器给电机空载实验时所生成的SVPWM波形。 关键词：变频；空间电压矢量；数字信号处理器 0 引言 变频调速系统的关键，就是要没计一个合理的变频器，而它的核心就是变频调速系统的数字控制器。变频器的数字控制器包括信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能。 变频器数字控制系统的硬件部分，包括微处 理器、接口电路及外围设备，其中微处理器是系统的控制核心，它通过内部控制程序，对从输入接口输入的数据进行处理，完成控制计算等工作，通过输出接口电路向外围发出各种控制信号，外围设备除了检测元件和执行机构，还包括各种操作、显示以及通信设备。 本文采用TI公司的TMS320F240自行设计了一款用于高速电机调速系统的数字控制器，频率可以通过键盘数字给定或者模拟给定，同时对它的功能和技术做了简要的分析，并给出了电机在18000r／min稳态运行时控制器的输出波形。 1 数字控制器的硬件结构框图和工作原理 数字控制器的硬件以TMS320F240定点DSP为CPU，CY7C199为外部数据和程序存储器，数据和程序存储器各32K；16路的模拟／数字输入通道，其中一路可以用来进行模拟频率给定；使用了8位数字I／O口，可以用键盘通过I／O口来进行数字频率给定；4路12位的数字／模拟转换通道，用于电机输出信号控制；RS232和SPI系列兼容接口，其中将SPI用作变频调速时电机频率的LED显示，将SCI口扩充成RS232接口，其功能布置框图如图1所示。 电机或者逆变器的工作频率通过键盘给定，同时，其频率显示通过DSP内部的显示程序回显在LED上，当按下运行键以后，键盘设计频率被送到产生空间电压矢量的SVPWM处理子程序，生成的SVPWM波形通过GAL器件保护后输出，与此同时，电动机或者变频器的实时运行动态频率通过LED显示。正交编码脉冲可以接入电机的光电编码器，对系统构成速度环反馈，A／D模块可以接入电机的电流环，至于变频调速系统的保护中断源由DSP的引脚PDPINT提供，主要是过压、过流、控制电压欠压、过热等中断源。电机的速度或者逆变器的输出频率可以通过键盘改变。 2 硬件设计 数字信号处理器是数字控制器的核心部分，也是数字控制器对信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能的核心部分。数字控制器的功能模块设计如下。 2.l 数据和程序存储器的设计 DSP是一种高速存取器件，对于外围接口芯片有较高的要求，虽然DSP本身可以软件提供0"7个等待状态来满足与片外存取器件速度的匹配，但是为了不至于影响整个系统的控制和仿真功能，一般采用存取速度比较高的存储器来做为DSP的片外数据和程序存储器。本文采用CY7C199存储器，存取时间15ns，完全不用提供软件等待状态也不用加硬件等待电路，因为，CY7C199是32K的8位存储器，所以，使用了4片该存储器组成了32K的16位存储器RAM，数据和程序各32K。 2.2 DSP复位及时钟电路的设计 为了使系统被复位信号正确地初始化，对复位信号的脉冲宽度必须有一定的要求。对于TMS320F240而言，复位信号至少要lms。不过上电之后，系统的振荡器达到稳定工作状态需要20ms甚至更长的时间，一般来说上电复位时，在复位引脚上置100"200ms的一个低电平脉冲是比较合适的。根据这一原则，采用MAXIM公司的集成微处理器监控复位电路来完成，本文使用了MAX705。MAX705监控芯片，与传统的分立元器件组成的微机监控电路比较，它的可靠性高、动态响应好，功耗小、设计简单、体积小，在电子产品设计中已得到广泛的应用。 在设计中，时钟往往不被人充分地重视，其实，时钟是电路设计中非常重要的一个环节。DSP时钟既可由外部提供，亦可由板上的振荡器来提供。由于DSP及其它芯片工作都是以时钟为基准的，如果时钟质量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。本文采用外部时钟输入，由有源晶振产生10MHz脉冲，通过覆铜和串接LC滤波电路来抑制外界干扰，保证了系统的稳定工作。 2．3 RS232的串行口电路设计 RS232是美国电子工业协会于1960年发布的串行通信接口标准，目前应用广泛的是RS232C和RS232D。 RS232C的标准连接为 DB25．但在实际应用中采用非标准的DB9连接，实际应用中根据需要对定义的引脚进行取舍。RS232C电气特性最大的特点是采用了负逻辑，逻辑l的电平是一3V一一15V，逻辑0的电平是+3V"+15V，因此，在使用中有一个电平转换接口的问题。本文中采用自升压的集成芯片MAX232C来构成，只由+5V电源来供电，电平转换所需的%26;#177;10V电源由片内电荷泵产生。在控制器做好以后，进行了计算机的串行通信接口(SCI)检验，数据通信收发正常，能够稳定工作。 2.4 D／A输出功能块的设计 在数字控制系统中，D／A和A／D电路是必不可少的，根据各种运用场合不同，系统对D／A、A／D的速度要求也不一样。本文中使用的是并行输入的D／A芯片DAC7625，它是12位数据并行输入，4路模拟输出的D/A转换器。其建立时间是10μs，功耗20mW，电源可以采用单电源+5V和双电源%26;#177;5V供电，广泛应用于电机控制和数据采集等。数模转换器DAC的数据输入来自DSP的高12位，通过74LS245送到DAC7625的数据端，采用单电源+5V供电，参考电压VHEFH使用精密稳压器件提供的+2.5V，VHEFL模拟地，其输出通 过运算放大器TLCH2272进行放大，输出范围为0"+5V。 2.5 键盘输入接口电路和LED显示电路设计 键盘和七段LED显示器是微型计算机系统最常用的输入、输出没备。它是实现人机之间进行信息交换的主要通路。键盘的功能就是把人们要处理的数据、命令等转换成计算机识別的二进制代码，即计算机能识别的符号；七段LED显示器则是把计算机的运算结果、状态等代码转换成为人们能识別的符号显示出来。键盘是计算机系统的主要输入没备，特別是在微处理器中，键盘设汁成为必然。本文在设计时考虑到DSP处理速度的快速性，对于键盘去抖动环节，采用了硬件延时电路，具体电路如图2所示。 七段LED显示器有静态显示和动态显示两种连接方式。动态扫描方式节省硬件，常用的BCD七段译码驱动和动态扫描驱动电路有两种，如Intel 8279、Max 7219等，控制器中采用MAX7219芯片。DSP具有一个与外设打交道的串行接口SPl，这为串行接门显示提供了方便。MAX7219足一种串行的共阴极LED数字显示驱动器，内没多个控制和数据寄存器，其工作方式可通过编程灵活地设计，它是体积小、功能强大、使用灵活方便的串行接口。应用中需要注意的问题就是，MAX7219抗，EMI能力比较差， 相对而言用MAX7221比较可靠一点。另外一个问题是，说明书中虽然说寄存器可以使用任意数字，比如说数据格式中的高4位用的是XXXX来表示，但是，在实际应用中最好使用非零位，本文采用1111来表示，可以增加抗干扰能力。另外，在串行数据线和电源中必须加适量电容，以提高抗干扰能力，特别是电源尤其要注意，如果波动比较大的话，MAX7219比较容易损坏。 2.6 SVPWM脉冲输出模块的设计 空间电压矢量SVPWM脉冲输出是数字控制器中的关键部分，电机调速或者逆变器的频率就是由SVPWM波形来控制的。为了防止逆变器的上下桥臂直通，虽然在DSP内部编程可以加入死区吋间，但是用微处理器产生的SVPWM脉冲可能由于程序跑飞而造成控制混乱，为安全起见，采用GAL器件做了互锁保护电路，防止逆变器同一桥臂上下器件的直通，数字控制器中使用的是Lattice公司的GAL16V8。 3 软件设计 随着变频器产品的不断成熟，它的功能也不断丰富，可靠性也得到不断提高，从而导致了其程序编制的复杂度和难度。本文设计的变频调速系统是针对实验室无轴承高频电机用，主要完成了一些基本功能，比如频率的设定与显示，低速时转距补偿功能等，程序不是特别复杂，设计程序近2000行，廾对程序进行了测试，证明程序运行良好。本文变频调速系统中的整个程序主要由主程序、键盘程序、显示程序、PWM程序、故障保护中断程序等组成。 3.l 主程序和故障保护中断程序 主程序是整个程序的最主要部分，它完成了变频器的主要功能，它的流程图如图3(a)所示。程序初始化部分主要包括：I／O口的初始化，波形发生器的初始化，定时计数器的初始化，SPl的初始化，MAX7219的初始化等。读数到内部寄存器，就是把常用的数据读人到内部寄存器，缩短DSP处理时间，更好地实现实吋性。设定频率处理，就是判断按键所给定的值，判别所设定的频率谁是最终的目标频率。频率显示部分，就是把最终目标频率，按常规以千位、百位、十位、个位通过LED显示出来。运行控制就是根据RUN键来决定是否启动电机运行。在硬件设计上，采用的是富士公司的第三代智能功率模块IPM，它的内部本身就集成 厂过压、过流、过热、控制电压欠压、短路等的输出报警功能，通过光耦隔离后送入到DSP的外部中断源引脚PDPINT，完成相应的保护功能，具体流程图如图3(b)所示。 3.2 SVPWM中断子程序 PWM 中断子程序是整个控制器工作的关键程序，空间电压矢量调制的完成就是靠它来实现的，具体的流程图如图4所示。PWM发生程序主要完成如下的功能：电机运行时频率的动态显示，根据主程序中所给定的目标频率，可以得到角速度ω，ω经过积分运算可以得到usref的角度θ，然后计算usref在两相静止坐标系α，β轴上的投影usα及usβ，有了θ可以同时计算出参考电压矢量所在的扇区／N，根据已知量由公用值求取两相邻电压矢量的作用时间T1、T2和T0，然后给DSP内部的3个全比较寄存器CMPRx（x=1，2，3)进行赋值，产生相应的5VPWM波形。 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空载稳态运行情况，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，300 Hz稳态运行时其PWM控制波形和测得的异步电机实测线电压波形如图5所示。 实验用高频电机的参数如下： 额定电压Un=220V，额定电流In=1.5A，额定频率f=400Hz，异步电机的极对数=1，额定功率Pe=800W，额定空载电流0.75A。 5 结语 以TMS320F240数字信号处理器为核心构成的数字控制器是一个信号处理系统，该系统可以完成信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能，相对于一般的单片机构成的系统，它的处理速度快、实时性能比较好，也易于选择和配合，同时集测量、监控、保护于一身，可与上位机通信，具有很高的使用价值。