崔晶

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

隨著以風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)為主的中壓大功率交流電機(jī)在我國(guó)的廣泛應(yīng)用，為改善傳統(tǒng)的中壓電機(jī)所采用的能耗高、效率低的直接恒速拖動(dòng)方式，研究和發(fā)展中壓電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)提高能源利用率有著重大意義[1]。

以DSP為代表的智能控制芯片的發(fā)展為中壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了諸多新思路和方法，本文提出一種基于DSP的中壓變頻控制設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)研究系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)。

1 中壓變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

中壓變頻試驗(yàn)裝置按6 kV/400 kW設(shè)計(jì)，主要由高壓隔離開(kāi)關(guān)、移相變壓器、變頻柜、控制柜四大部分組成，如圖1所示。

圖1中控制柜為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其中主控板采用TI公司的浮點(diǎn)型DSP芯片TMS320C32，其硬件、軟件資源豐富，完全能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)的控制要求。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于DSP設(shè)計(jì)，在軟件中需完成通訊、采樣、控制以及故障檢測(cè)處理等功能。為提高程序的可讀性和可移植性，本文采用子程序的模塊化設(shè)計(jì)，即在主程序中完成變量初始化及寄存器設(shè)置等功能，進(jìn)而開(kāi)放中斷，并在中斷程序中實(shí)現(xiàn)子程序的模塊功能。從而使主程序在不斷循環(huán)響應(yīng)中斷子程序的過(guò)程中，完成對(duì)應(yīng)的功能模塊。主程序流程圖見(jiàn)圖2所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)配置Fig.1 Hardware configuration

圖2 主程序流程圖Fig.2 Master flowchart

將要完成的每種功能劃分為功能塊，在相應(yīng)的子程序中實(shí)現(xiàn)，子程序模塊主要包括PWM調(diào)制模塊、順序控制及V/F曲線(xiàn)控制功能模塊。根據(jù)不同功能模塊對(duì)時(shí)間的要求度不同，將各個(gè)子程序模塊安排到合適的中斷中。如PWM調(diào)制模塊對(duì)實(shí)時(shí)性要求最高，因此安排在最高優(yōu)先級(jí)且中斷最快的TS（外部中斷0）中，其他子程序模塊則安排在次級(jí)中斷T0（定時(shí)器中斷0）中，并通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整中斷時(shí)間，來(lái)完成對(duì)子程序模塊時(shí)隙的調(diào)整[2]。

1.2.1 PWM調(diào)制模塊設(shè)計(jì)

PWM調(diào)制模塊主要實(shí)現(xiàn)PWM脈寬計(jì)算，從而生成并輸出水平移向PWM波。在脈寬計(jì)算中可通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)置改變載波頻率，從而減少輸出諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。圖3為該模塊PWM脈寬計(jì)算流程。

圖3 PWM脈寬計(jì)算軟件流程圖Fig.3 PWM pulse width computing software flow chart

圖3中，入口參數(shù)包括調(diào)制單元輸入頻率f、調(diào)制單元輸入電壓 U 以及電網(wǎng)電壓 e。 參數(shù) Δθ、VA、VB、VC及 WA、WB、WC分別按式（1）～式（3）計(jì)算。 式中 Ts為采樣周期。

1.2.2 順序控制模塊設(shè)計(jì)

順序控制模塊的作用是保障變頻器運(yùn)行安全，使變頻器動(dòng)作（如起動(dòng)、運(yùn)行及停車(chē)等）按照正確的邏輯順序進(jìn)行，并檢測(cè)故障信息，一旦發(fā)生故障則立即停機(jī)并跳閘。為實(shí)現(xiàn)順序控制，本文規(guī)定了中壓變頻器運(yùn)行過(guò)程中的九種狀態(tài)：初始化工作狀態(tài)、禁止合閘狀態(tài)、故障報(bào)警狀態(tài)、允許合閘狀態(tài)、預(yù)充電狀態(tài)、允許起車(chē)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、正常停車(chē)狀態(tài)和安全停車(chē)狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)編號(hào)為狀態(tài)0－8。在程序設(shè)計(jì)中，將系統(tǒng)目前運(yùn)行狀態(tài)定義為狀態(tài)字ST000，取值0－8對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的9種狀態(tài)。在該模塊設(shè)計(jì)中，通過(guò)判別狀態(tài)字ST000的值，就可進(jìn)行對(duì)應(yīng)狀態(tài)的邏輯處理，不滿(mǎn)足相應(yīng)邏輯的誤操作，將得不到響應(yīng)，從而保證了順序控制功能的正確執(zhí)行。圖4為順序控制模塊流程設(shè)計(jì)圖。

1.2.3 V/F曲線(xiàn)控制模塊設(shè)計(jì)

圖4 順序控制功能塊程序流程圖Fig.4 Sequence control function block program flow chart

V/f曲線(xiàn)的設(shè)置是V/f控制方式的核心部分，直接關(guān)系到電機(jī)運(yùn)行性能的好壞，如果完全依靠人工憑經(jīng)驗(yàn)整定參數(shù)確定V/f曲線(xiàn)，不僅效率低下，也很難使其達(dá)到優(yōu)良的性能[3]。因此，本文的V/f曲線(xiàn)控制模塊設(shè)計(jì)基于高性能V/f控制方案[4－5]，可大幅度減少人工參與度，并提高電機(jī)的運(yùn)行性能[6]。

圖5 V/f曲線(xiàn)控制模塊程序流程圖Fig.5 Curve of V/f control module program flow chart

圖5為V/f曲線(xiàn)控制的程序流程圖，其中入口參數(shù)包括：Imax控制器輸出頻率Fout、加速電流輸入IAcc、Imax控制器輸出電壓Uout、V/f曲線(xiàn)選擇模式Vfselect=1/0、額定電壓UR、額定頻率FR、定子電阻 Rs、上舉電壓 UB、上舉電流 IB等。 圖 5中參數(shù)UB、k1、k2、k′及 UVf的計(jì)算參見(jiàn)式（4）～式（6）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述分析建立系統(tǒng)并進(jìn)行6 kV/22 kW空載、負(fù)載試驗(yàn)，為保證安全，首先進(jìn)行了4 kV/22 kW空載、負(fù)載實(shí)驗(yàn)，在確保安全無(wú)異常的基礎(chǔ)上再進(jìn)行6 kV/22 kW系統(tǒng)空載、負(fù)載試驗(yàn)。圖6給出了系統(tǒng)在50 Hz負(fù)載實(shí)驗(yàn)時(shí)電動(dòng)機(jī)線(xiàn)電壓和由霍爾電流鉗測(cè)得的電動(dòng)機(jī)線(xiàn)電流波形；圖7為系統(tǒng)在50 Hz負(fù)載實(shí)驗(yàn)時(shí)由霍爾電流鉗測(cè)得的進(jìn)線(xiàn)電網(wǎng)側(cè)線(xiàn)電流波形。

從圖6、圖7的波形可以看出，以50Hz負(fù)載試驗(yàn)為代表，中壓大功率變頻器系統(tǒng)輸出線(xiàn)電壓波形具有較好的正弦性，其線(xiàn)電流的波形圖更是突顯了優(yōu)越的正弦性（圖6）。

圖6 50 Hz負(fù)載試驗(yàn)時(shí)電動(dòng)機(jī)線(xiàn)電壓（下）、線(xiàn)電流（上）波形Fig.6 Under 50 Hz load test motor line voltage(below),line current waveform(above)

圖7 50 Hz負(fù)載試驗(yàn)時(shí)進(jìn)線(xiàn)電網(wǎng)側(cè)線(xiàn)電流波形Fig.7 Line current waveform into the line power grid side under 50 Hz load test into the side

3 結(jié)論

為改善傳統(tǒng)的中壓電機(jī)所采用的能耗高、效率低的直接恒速拖動(dòng)方式，從而提高能源利用率[7]，本文提出了一種中壓變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)研究基于DSP的控制軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)為了提高程序的可讀性和可移植性，提出了模塊化的程序設(shè)計(jì)方法。

經(jīng)中壓大功率變頻器系統(tǒng)的負(fù)載、空載試驗(yàn)論證，本文提出的單元串聯(lián)中壓變頻試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且能夠達(dá)到預(yù)期效果。說(shuō)明系統(tǒng)在硬件、軟件方面均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，控制軟件設(shè)計(jì)方案不但行之有效、成效顯著，而且有較高的可靠性，從而保證了系統(tǒng)長(zhǎng)期有效、穩(wěn)定的運(yùn)行。

[1]蘇彥民，李宏.交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]陳國(guó)呈.PWM變頻調(diào)速及軟開(kāi)關(guān)電力變換技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]劉寧莊.基于MCU的中頻電源控制器的研究與應(yīng)用[D].西安：西安科技大學(xué)，2002.

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