智能变频器系统的软件设计

丁 凯

（曲阜师范大学，山东 曲阜 276826）

1 智能变频器的特点及使用价值

变频器由于具有显著的节能作用，使其不仅成为企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置，而且，广大企业更以节能为目的，广泛将变频器应用于电力、纺织与化纤、建材、石油、化工、冶金、市政、造纸、食品饮料、烟草等行业以及公用工程(中央空调、供水、水处理、电梯等)。

应用变频调速，可以大大提高TPAM转速的控制精度，使其在节能的状态运行，调速的节电效果非常可观。与此类似，许多变动负载TPAM一般按最大需求来生产TPAM的容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的间所占比例却非常高，所以使用变频器就等于落实了节能措施，可大大提高载运行时的工作效率。因此，变动负载的节能潜力巨大。变频器的另一个广市场和应用趋势是家电市场。每个家庭都希望节约家庭开支与生活成本，节电费、提高家电性能、保护环境成为大家关注的焦点。带有变频控制的冰箱、衣机、家用空调等变频家电，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制度等方面有很大的优势。

2 系统所采用的智能技术简介

一般变频驱动电路是将主控电路中CPU产生的六个PWM信号，经光电隔离和大后，作为逆变电路的换流器件(逆变模块)提供驱动信号。对驱动电路的各要求，因换流器件的不同而异。大部分的变频器采用驱动电路，而智能型变频直接采用专用驱动模块IPM。

IPM由高速、低功率IGBT、优选的门级驱动器及保护电路构成。其中，IGBT是GTR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GTR，因而IPM具有GTR高电流密度、饱和电压、高耐压、MOSFET高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。据内部功率电路配置情况，IPM有多种类型，如PM200DSA060型：IPM为D型(内部集成 2个IGBT)。

3 系统的软件设计

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，采用C语言编写变频器的SPWM控制主程序。

（1）编程方法。程序设计方面，拟采用在线计算占空比、用三角波作为载波的规则采样法，得到一系列幅值相等但宽度不等的矩形波。利用公式计算出占空比，然后与周期寄存器T3PR中的值相乘，再送往对应的比较寄存器CMPR4～CMPR6，就会在对应的管脚输出对称的SPWM波。

调制方法分同步调制法和异步调制法。但异步法的输出波形对称性差，脉冲相位和个数不固定；同步法在调制波的频率很低时，由调制带来的谐波不易滤除，当调制波频率很高时，开关元件又难以承受。所以，设计中采用了分段同步调制的方法来解决这一问题。具体实现为：把调制波频率分为几个频段，在各个频段内保持载波比N恒定，不同频段的载波比N不同。选取原则为：输出频率高的频段用低载波比，输出频率低的频段用高载波比。同时，为了得到严格对称的双极性SPWM波形，载波比应选3的整数倍且为奇数。设计中将频段分为3段，小于15Hz为一段，载波比选153；15～35Hz为一段，载波比选93：35Hz以上为一段，载波比选2l。分段同步的方法虽然比较复杂，但控制的精度比较高，输出波形的效果也比较好。

对于AD采样部分，只需设置定时器进行定时采样，然后将得到的值与设定的最大值进行比较，检测是否过流及过压；对于与液晶显示模块间的数据传输，因是串行，只需查表将对应的字符码按照12232F的传输协议进行数据传输即可。此部分程序相对较易实现。

（2）软件流程。主控制程序是整个程式的最主要部分，它完成了变频器的主要功能。程序初始化部分主要包括：I/0口的初始化，波形发生器的初始化，定时计器的初始化，SP1的初始化，MAX7219的初始化等。读到内部寄存器，就是把常用的数据读入到内部寄存器，缩短DSP处理时间，好地实现实时性。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TPAM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，他的内部本身就集成过压、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PDP INT，完成相应的保护功能。

PWM中断子程式是整个控制器工作的关键程式，空间电压矢量调制的完成就是靠它来实现的。PWM发生程式主要完成如下的功能：TPAM运行时频率的动态显示，根据主程式中所给定的目标频率，能够得到角速度，经过积分运算能够得到的角度e，然后计算在两相静止坐标系，轴上的投影及，有了能够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=l，2，3)进行赋值，产生相应的SPWM波形。

（3）程序代码。主程序如下：

4 结论

随着新型功率器件的产生，微处理器的高速化以及现代控制理论的发展，各种新型控制方式不断出现。变频器正朝着数字化、智能化、集成化的方向在发展，TPAM交流调速系统存在的高度非线性、多变量以及不确定性等特点。因此，将自适应控制思想和现代控制理论相结合，在系统的软件设计中，采用了相关的智能理论与技术，同时也采用了C语言和汇编语言混合编程方式以及模块化程序设计方法，设计了变频器的软件系统，并且对其源程序进行了调试，使系统的软件设计达到预期目标。