基于DSP数字型变频调速系统

张晓琴，罗 隆

(1. 重庆工业职业技术学院，重庆 400050；2. 重庆赛迪工程咨询有限公司，重庆 400013)

0 引言

数字信号处理器（DSP）是高速专用的微处理器，运算功能强大，数据传输速度快，在数字控制领域应用广泛[2]。TMS320C240是目前应用于数控领域性能最好的DSP芯片[1]，它是专门为电机控制设计的，它内部自带了PWM输出单元，具有适时运算能力，并集成了电极控制外围部件，使设计者加较少的硬件设备，就可以构成最小目标控制系统，从而可以降低系统费用和成本。PWM逆变器开关器件采用新型IGBT器件，具有开关频率高、驱动功率小、线路简单等特点。日本富士EXB840为系统驱动器，这是专门用来驱动IGBT的驱动模块，由控制电路输出的PWM控制信号经驱动模块EXB840控制IGBT1-6的通断，实现调压调频，从而控制电机的转速。本文选用以上数字器件进行了交流电动机变频调速系统设计，它具有调速范围宽、效率高、动态性能好等特点，被广泛地应用在交流调速领域。

1 系统的总体构成

基于DSP数字型变频调速系统的结构框图如图1所示。

该系统主要由主回路部分，控制电路，检测部分三部分组成，还附有必要的外围电路。主回路主要是把电网电压经过整流和逆变，送入交流电动机，并通过控制电路控制逆变器开关元件的开断，实现电动机的调速。控制电路把检测电路采集到的电压、电流和转速等信号送入DSP芯片中，进行矢量控制算法运算，再输出控制信号控制主回路逆变器，同时通过键盘控制经DSP处理后显示电动机的运行状态。

图1 基于DSP数字型变频调速系统的结构框图

2 硬件设计

2.1 主回路

采用电压型PWM变频器的主回路。这种变频器先将电源提供的交流电通过整流器变成直流，再经过逆变器将直流变换为交流电。应用不控整流、PWM逆变器调压变频的交－直－交变压变频装置，该结构可以较好地解决输入功率因数低和输出谐波大的问题。PWM逆变器开关器件采用IGBT，它是一种新型全控电力电子器件，综合了MOSFET和GTR的优点，开关频率高，驱动功率小，线路简单的特点。主电路结构如图2所示。

图2 主电路结构如

2.2 控制回路

控制电路的核心采用DSP 芯片中的TMS320C24*系列，它是专门针对电机控制而设计的，本系统中应用TMS320C240芯片。C240含有操作速率为20×10 条指令1s的CPU，片内含有16KB程序存储器（ROM），544B数据存储器，双十位A/D转换器，它含有同步串行外设接口（SPI），异步串行通信接口(SCI)，备有四种掉电模式，采用基于仿真头(JTAG)扫描的仿真技术；它提供的脉宽调制(PWM)及I/O接口，可以用于驱动各种类型的电机。它包含了3个起/停定时器和9个比较器，并辅以灵活的波形发生逻辑，可产生多达12路PWM输出；它还支持对称的和非对称的PWM生成能力以及空间矢量PWM状态装置，以实现功率开关器件的优化方案；它能以比较低的功耗延长使用使命，它还包括死区发生单元，从而有助于保护功率器件；此外，事件管理器集成了4个接收输入端，其中2个可用于光电编码器正脉冲的直接输入。C240内部框图如图3所示[1]。

图3 C240内部框图

该控制电路的算法采用矢量控制算法，把采集的电压，电流信号和速度信号同时送入TMS320C240芯片中，在C240中经过比较器和函数库进行矢量运算，输出控制信号[4]。

2.3 驱动电路

应用日本富士电机的EXB系列驱动器EXB840，作为该系统的驱动器，这是专门用来驱动IGBT的驱动模块。该模块的特点是内部装有2500V的高隔离电压的光耦合器，有过电流保护电路和过电流保护输出信号端子，另外，可以单电源供电。由控制电路输出的PWM控制信号经驱动模块EXB840控制IGBT1-6的通断，实现调压调频，从而控制电机的转速。EXB840驱动器的内部结构和脚码说明如图4所示[3]。

图4 EXB840驱动器的内部结构和脚码说明

2.4 检测电路

电压、电流检测均采用霍耳元件，其特点是可实现隔离，而且交直流均可检测，精度高，但需要外接电源，价格较高。转速检测采用光电编码器，这是一种位置检测器。

3 软件设计

DSP程序的编写可以用汇编语言，也可以使用C语言。一般来说，采用C语言设计的开发周期短，效率较高，并且移植性好，利于实现模块化、组态化的设计目标，所以设计中的程序也是用C语言编写的[4]。主程序流程图如图5所示。

4 结论

图5 主程序流程图

将设计的变频系统运用于电梯运行控制系统中，由于电梯经常需要处于正反转、反复起动制动过程中，要求电动机在各种负载下都有良好的调速性能和准确停车性能。本设计采用全数字芯片实现交流电动机的变频调速系统，能够在规定时间周期内采集数据、信息、发出控制信号，并且能在准确的时间内达到目的要求，完全能够满足电梯乘客的舒适感和平层精度要求。此外，该系统结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性高、功能强、成本低等优势赢得广大用户关注，已广泛用于冰箱、空调、洗衣机等家用电器及风机、泵或一般工业变速传动控制中。

[1] TMS320C2407A DSP controller,TI,2002.

[2] 陈林,熊有伦,侯立军.基于DSP的变频调速系统设计[J].电工技术杂志,2002,(03):9-11.

[3] 林雪岩,付兴武.基于DSP的全数字式变频调速系统[J].电气时代,2004,(12):139-140.

[4] 佘艳,孙云连.基于DSP实现对称SVPWM矢量控制的变频调速系统[J].电气应用,2005,(4):81-84.