張曉琴，羅 隆

(1. 重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400050；2. 重慶賽迪工程咨詢有限公司，重慶 400013)

0 引言

數(shù)字信號處理器（DSP）是高速專用的微處理器，運(yùn)算功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)傳輸速度快，在數(shù)字控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。TMS320C240是目前應(yīng)用于數(shù)控領(lǐng)域性能最好的DSP芯片[1]，它是專門為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的，它內(nèi)部自帶了PWM輸出單元，具有適時運(yùn)算能力，并集成了電極控制外圍部件，使設(shè)計(jì)者加較少的硬件設(shè)備，就可以構(gòu)成最小目標(biāo)控制系統(tǒng)，從而可以降低系統(tǒng)費(fèi)用和成本。PWM逆變器開關(guān)器件采用新型IGBT器件，具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動功率小、線路簡單等特點(diǎn)。日本富士EXB840為系統(tǒng)驅(qū)動器，這是專門用來驅(qū)動IGBT的驅(qū)動模塊，由控制電路輸出的PWM控制信號經(jīng)驅(qū)動模塊EXB840控制IGBT1-6的通斷，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本文選用以上數(shù)字器件進(jìn)行了交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它具有調(diào)速范圍寬、效率高、動態(tài)性能好等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在交流調(diào)速領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成

基于DSP數(shù)字型變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由主回路部分，控制電路，檢測部分三部分組成，還附有必要的外圍電路。主回路主要是把電網(wǎng)電壓經(jīng)過整流和逆變，送入交流電動機(jī)，并通過控制電路控制逆變器開關(guān)元件的開斷，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)速?？刂齐娐钒褭z測電路采集到的電壓、電流和轉(zhuǎn)速等信號送入DSP芯片中，進(jìn)行矢量控制算法運(yùn)算，再輸出控制信號控制主回路逆變器，同時通過鍵盤控制經(jīng)DSP處理后顯示電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 基于DSP數(shù)字型變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主回路

采用電壓型PWM變頻器的主回路。這種變頻器先將電源提供的交流電通過整流器變成直流，再經(jīng)過逆變器將直流變換為交流電。應(yīng)用不控整流、PWM逆變器調(diào)壓變頻的交－直－交變壓變頻裝置，該結(jié)構(gòu)可以較好地解決輸入功率因數(shù)低和輸出諧波大的問題。PWM逆變器開關(guān)器件采用IGBT，它是一種新型全控電力電子器件，綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)頻率高，驅(qū)動功率小，線路簡單的特點(diǎn)。主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)如

2.2 控制回路

控制電路的核心采用DSP 芯片中的TMS320C24*系列，它是專門針對電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的，本系統(tǒng)中應(yīng)用TMS320C240芯片。C240含有操作速率為20×10 條指令1s的CPU，片內(nèi)含有16KB程序存儲器（ROM），544B數(shù)據(jù)存儲器，雙十位A/D轉(zhuǎn)換器，它含有同步串行外設(shè)接口（SPI），異步串行通信接口(SCI)，備有四種掉電模式，采用基于仿真頭(JTAG)掃描的仿真技術(shù)；它提供的脈寬調(diào)制(PWM)及I/O接口，可以用于驅(qū)動各種類型的電機(jī)。它包含了3個起/停定時器和9個比較器，并輔以靈活的波形發(fā)生邏輯，可產(chǎn)生多達(dá)12路PWM輸出；它還支持對稱的和非對稱的PWM生成能力以及空間矢量PWM狀態(tài)裝置，以實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)器件的優(yōu)化方案；它能以比較低的功耗延長使用使命，它還包括死區(qū)發(fā)生單元，從而有助于保護(hù)功率器件；此外，事件管理器集成了4個接收輸入端，其中2個可用于光電編碼器正脈沖的直接輸入。C240內(nèi)部框圖如圖3所示[1]。

圖3 C240內(nèi)部框圖

該控制電路的算法采用矢量控制算法，把采集的電壓，電流信號和速度信號同時送入TMS320C240芯片中，在C240中經(jīng)過比較器和函數(shù)庫進(jìn)行矢量運(yùn)算，輸出控制信號[4]。

2.3 驅(qū)動電路

應(yīng)用日本富士電機(jī)的EXB系列驅(qū)動器EXB840，作為該系統(tǒng)的驅(qū)動器，這是專門用來驅(qū)動IGBT的驅(qū)動模塊。該模塊的特點(diǎn)是內(nèi)部裝有2500V的高隔離電壓的光耦合器，有過電流保護(hù)電路和過電流保護(hù)輸出信號端子，另外，可以單電源供電。由控制電路輸出的PWM控制信號經(jīng)驅(qū)動模塊EXB840控制IGBT1-6的通斷，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。EXB840驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和腳碼說明如圖4所示[3]。

圖4 EXB840驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和腳碼說明

2.4 檢測電路

電壓、電流檢測均采用霍耳元件，其特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)隔離，而且交直流均可檢測，精度高，但需要外接電源，價格較高。轉(zhuǎn)速檢測采用光電編碼器，這是一種位置檢測器。

3 軟件設(shè)計(jì)

DSP程序的編寫可以用匯編語言，也可以使用C語言。一般來說，采用C語言設(shè)計(jì)的開發(fā)周期短，效率較高，并且移植性好，利于實(shí)現(xiàn)模塊化、組態(tài)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以設(shè)計(jì)中的程序也是用C語言編寫的[4]。主程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)論

圖5 主程序流程圖

將設(shè)計(jì)的變頻系統(tǒng)運(yùn)用于電梯運(yùn)行控制系統(tǒng)中，由于電梯經(jīng)常需要處于正反轉(zhuǎn)、反復(fù)起動制動過程中，要求電動機(jī)在各種負(fù)載下都有良好的調(diào)速性能和準(zhǔn)確停車性能。本設(shè)計(jì)采用全數(shù)字芯片實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，能夠在規(guī)定時間周期內(nèi)采集數(shù)據(jù)、信息、發(fā)出控制信號，并且能在準(zhǔn)確的時間內(nèi)達(dá)到目的要求，完全能夠滿足電梯乘客的舒適感和平層精度要求。此外，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、可靠性高、功能強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢贏得廣大用戶關(guān)注，已廣泛用于冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等家用電器及風(fēng)機(jī)、泵或一般工業(yè)變速傳動控制中。

[1] TMS320C2407A DSP controller,TI,2002.

[2] 陳林,熊有倫,侯立軍.基于DSP的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)雜志,2002,(03):9-11.

[3] 林雪巖,付興武.基于DSP的全數(shù)字式變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].電氣時代,2004,(12):139-140.

[4] 佘艷,孫云連.基于DSP實(shí)現(xiàn)對稱SVPWM矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].電氣應(yīng)用,2005,(4):81-84.