李 娜 李澤滔 張 赫

（貴州大學電氣工程學院，貴陽 550025）

近年來，隨著電力電子技術和脈寬調(diào)制技術的迅猛發(fā)展，且相比直流電機，交流電機結構簡單、成本低、安裝環(huán)境要求低等[1]，這些使得交流調(diào)速系統(tǒng)正逐漸取代傳統(tǒng)的直流傳動系統(tǒng)。變頻調(diào)速在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、工作效率等方面都有著極大的優(yōu)勢，且通用性強、體積小、成本低、保護功能完善等優(yōu)點，這使之成為最優(yōu)、最理想的一種交流調(diào)速方式。

變頻器是交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中一個關鍵裝置，通過改變電機工作電源頻率控制其轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對交流電動機變頻調(diào)速，達到調(diào)速、節(jié)能的目的。另外，變頻器還具有過壓、過流、過熱保護等功能。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，在許多行業(yè)如礦山、石油、化工、醫(yī)藥、機械、電力、卷煙、自來水等得到了廣泛的應用[2]。

之前變頻器大多采用單片機作為控制核心，但由于單片機的運算速度慢、不易實現(xiàn)復雜控制算法、外圍電路復雜等，且隨著調(diào)速性能要求的提高，已不能滿足實際的需要。而數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）具有運行頻率高、集成外圍控制電路多等特點，非常適合進行電機控制[3]。

本設計是一種針對交-直-交電壓型逆變電路的變頻器，以電機控制的專用高速數(shù)字信號處理器作為控制系統(tǒng)核心，單片機實現(xiàn)人機界面以及按鍵等輔助功能，可以高效完成電機實時控制算法，且降低了成本。

1 系統(tǒng)結構框圖

本文以TMS320F28335 DSP 為核心，以SVPWM技術為控制策略實現(xiàn)一種小功率變頻器，具有結構簡單，成本低，調(diào)試方便，保護功能完善等特點。變頻器主要由主電路、控制電路和保護電路組成。

基于DSP 和SVPWM 控制策略設計的變頻器結構框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2 SVPWM 算法的實現(xiàn)

本設計選用SVPWM 算法生成三相PWM 波，供驅(qū)動逆變電路IGBT 的門極控制信號，通過交替使用不同的電壓空間矢量來控制逆變器的工作[4]。相比一般的SPWM 技術，SVPWM 控制方式的輸出電壓可提高15%，而且計算簡便。

為了減小轉(zhuǎn)矩脈動，將6 個有效電壓空間矢量分為對稱的6 個扇區(qū)，如圖2所示，且將每個扇區(qū)等分為N個小區(qū)間，用相鄰的兩個有效工作矢量合成期望的輸出矢量，以期望磁鏈軌跡接近于圓。

以在第Ⅰ扇區(qū)內(nèi)的期望輸出矢量為例，期望輸出電壓矢量合成如圖3所示。

在一個開關周期T0中，u1的作用時間為t1，u2的作用時間為t2，按照矢量合成法則有

圖2 電壓空間矢量6 個扇區(qū)

圖3 期望輸出電壓矢量的合成

由式（1）可解得t1、t2。一般地，t1+t2≤T0，其余時間用零矢量補充，零矢量作用時間t0=T0-t1-t2， 避免了變頻的同時還要調(diào)節(jié)直流電壓，且減小了控 制的復雜性。

以降低開關損耗和諧波分量的大小為原則，分配有效工作矢量和零矢量的作用順序。本文在開關周期的首尾取u0，中間取u7。該方法在矢量切換時，只有一相的狀態(tài)發(fā)生變化，開關損耗較小。每個扇區(qū)的SVPWM 實現(xiàn)方法如圖4所示。

圖4 SVPWM 實現(xiàn)方法

該設計選用DSP 中ePWM 模塊實現(xiàn)SVPWM信號的輸出，經(jīng)光耦隔離放大后，供功率器件的柵極信號輸入。

3 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件結構

文中采用電壓源型變頻器，主要包括由主電路、驅(qū)動電路、信號采集與保護電路、控制電路。通用變頻器硬件結構圖[5]如圖5所示。

系統(tǒng)主電路采用三相橋式不可控整流和三相橋 式逆變電路，以DSP 為控制核心，利用SVPWM 控制技術輸出PWM 波驅(qū)動全控器件的門極信號，以便輸出電壓頻率可控的電壓，來控制電動機的運行。此外，通過電壓傳感器和電流傳感器采集電路的電壓和電流信號以避免過壓、過流對電路造成損壞。由于直接采集的信號與A/D 轉(zhuǎn)換模塊電平不匹配，故在傳感器后端加入低通濾波器和信號調(diào)理模塊將采集的信號轉(zhuǎn)換成可以被識別的模擬信號。MCU 通過串口與DSP 進行通信，DSP 將測量到的參數(shù)傳送給MCU 后通過液晶顯示屏顯示。

圖5 通用變頻器硬件結構圖

3.2 主電路設計

主電路由三相橋式不可控整流、濾波、逆變器及驅(qū)動電路組成。為了吸收輸入的瞬時高壓，在交流側(cè)分別并接三個壓敏電阻，當進線電壓過壓時，電網(wǎng)電壓就會降落在導線和壓敏電阻上，起到過壓保護的作用。另外，在剛開始上電的瞬間，為了避免對電容造成沖擊和減少瞬間過大的充電電流，在整流電路的直流環(huán)節(jié)加一限流電阻。在上電初期降低充電電流，充電一定時間之后，通過切換裝置把該限流電阻短接。逆變器采用專用智能功率模塊IPM，內(nèi)置驅(qū)動電路，并且具有短路、過流、過溫和驅(qū)動電路欠壓等保護電路，還設有相關的外圍電路，簡化了驅(qū)動電路的設計。主電路原理圖如圖6所示。

圖6 主電路原理圖

3.3 控制電路的設計

采用以TMS320F28335DSP 為核心的控制板，利用I/O 接口完成PWM 信號輸出、A/D 轉(zhuǎn)換和人機界面等設計，主要負責采樣各相電壓、電流，以及在每個PWM 周期采用SVPWM 算法，得到PWM控制信號，同時對電路進行相關保護。輸出脈沖經(jīng)光耦隔離后，控制功率開關器件的通斷。當有故障發(fā)生時，送至DSP 的功率驅(qū)動保護中斷引腳，立即將EVA 的PWM 輸出引腳置為高阻狀態(tài)，停止變頻器工作?？刂齐娐返脑韴D如圖7所示。

圖7 控制電路原理圖

特別地，DSP 工作電平為3.3V，而其他器件采用5V 供電。故要設計電源轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。

圖8 電源轉(zhuǎn)換電路

3.4 保護電路設計

1）泵升電壓保護電路

當處于制動狀態(tài)時，能量將回饋至直流側(cè)，導致直流電壓上升。若不對電壓進行限制，將會造成功率器件的損壞，因此制動過程中需提供能量釋放回路，電路設計如圖9所示。

當采集到的直流電壓高于泵升電壓給定值時，O1端輸出低電平，光耦導通輸出低電平信號，驅(qū)動IPM 的制動單元，使能量消耗在制動電阻上，保證電路可靠工作；當直流電壓降低至低于泵升電壓給定值時，O1端輸出高電平，光耦器件截止，切斷制動回路。

圖9 泵升電壓保護電路

2）過流保護電路

圖10 過流保護電路

采用霍爾電流傳感器采集直流母線電流，為了避免因IPM 橋臂直通引起過流，設計如圖10所示 的過流保護電路。當電流大于給定值時，觸發(fā)光耦導通，發(fā)送中斷信號；當電流低于給定值時，光耦截止，正常工作。

3）電壓采樣保護電路

采用霍爾電壓傳感器采集直流側(cè)電壓，設計了如圖11所示的過壓、欠壓保護電路。當采樣電壓大于過壓保護給定值時，觸發(fā)光耦導通，給控制中心發(fā)送中斷信號，引發(fā)中斷，封鎖PWM 脈沖輸出，停止變頻器工作；當電壓低于給定值時，原理類似。

圖11 過壓、欠壓保護電路

4 軟件設計

系統(tǒng)基于DSP 的通用變頻器控制采用C 語言編程和模塊化的設計思想。DSP28335 處理器使用StudioV3.3 集成調(diào)試環(huán)境，人機界面采用單片機AT89S52，用Keil 進行編譯調(diào)試。

系統(tǒng)軟件主要包括主程序和中斷服務子程序，在主程序中完成系統(tǒng)的初始化，上電之后首先進行復位、初始化等，然后經(jīng)過事件管理器輸出PWM信號，對功率器件進行控制，同時采集電壓、電流信號，對系統(tǒng)進行故障保護，最后變頻器輸出三相電壓帶動電機運行。系統(tǒng)主程序流程圖如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)流程圖

5 驗證測試

為了驗證算法的有效性，采用Matlab 仿真軟件下的Simulink 搭建異步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)模型，并進行仿真驗證[1]。仿真結果如圖13所示，從 上到下分別為對應兩種方式下的輸出波形，依次是轉(zhuǎn)子相電流、電機轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速。

圖13 異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真圖

從仿真結果看出，與常規(guī)的PWM 方法相比，SVPWM 直流電壓利用率高，諧波分量小，轉(zhuǎn)矩脈動小。而且不管頻率多大，在穩(wěn)定狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩仍與負載轉(zhuǎn)矩相等，電機運行穩(wěn)定。另外，在同樣的空載起動下，與直接起動時相比，該方法下起動電流要小的多，體現(xiàn)了變頻調(diào)速的優(yōu)勢。

6 結論

本文是基于DSP 的小功率變頻器的設計，系統(tǒng)采用SVPWM 算法實現(xiàn)功率器件的驅(qū)動信號輸出，利用IGBT 的開關特性來實現(xiàn)變頻調(diào)速的目的，并且使用單片機對系統(tǒng)相關參數(shù)進行顯示，同時還可以根據(jù)具體的要求進行按鍵設置操作。經(jīng)仿真測試，系統(tǒng)結構簡單，響應快，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可廣泛應用于電氣傳動系統(tǒng)中。

[1] 林飛,杜欣.電力電子應用技術的Matlab 仿真[M].北京: 中國電力出版社,2009.

[2] 賀明智,楊貴恒,黃念慈,等.一種小功率通用變頻器的設計[J].電源技術應用,2004(3): 138-141.

[3] 陳林,熊有倫,侯立軍.基于DSP 的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計[J].電工技術雜志,2002(3): 9-11.

[4] 阮毅,陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2009.

[5] 王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2009.