基于DSP的交流变频调速系统设计(图文)

采用SPWM（正弦脉宽调制）技术。利用DSP（数字信号处理器）进行控制。由它们的交点确立逆变器的开关模式。
关键词：交流交频调速，SPWM，DSP，逆变器

　　随着节能环保概念逐渐推广，越来越多的工业控制领域正想方设法降低能耗，电机变频调速就是一种很好的节能方式，已逐步应用到家电、工控等领域。目前变频调速多数采样专用模块来实现，成本较高。因此，本文设计了一种成本相对较低的交流变频调速系统，采用SPWM（正弦脉宽调制）技术，利用DSP（数字信号处理器）进行控制，取得了很好控制效果。论文参考网。
　　1、SPWM产生方法
　　SPWM的产生是以一个正弦波作为基准波（调制波），用一列等幅的三角波（即载波）与基准正弦波相交，由它们的交点确立逆变器的开关模式，当基准正弦波高于三角波时使开关器件导通，而当基准正弦波低于三角波时，使开关器件截止，从而使逆变器输出一系列脉冲波，如图一所示。
　　
　　图一 SPWM波形产生示意图
　　SPWM的形成通过采样获得，采样可分为规则采样（只在三角波顶点采样）和不规则采样（在三角波顶部和底部同时采样）[1]。论文参考网。由于不规则采样所形成的阶梯波比规则采样更接近于正弦波，因此这里采用此法。设三相交流电U，V，W，其电压波形相差120o，设采样点数为K，K=0，1，2，……2N-1，载波比（即正弦波周期与三角波周期之比）为N，则当K为偶数时，U相对应开关器件关闭和导通时间分别为
　　toff=Ts/2〔1-Msin(R180o/N)〕
　　ton=Ts/2〔1+Msin(R180o/N)〕
　　对于V相，有
　　toff=Ts/2〔1-Msin(R-2/3N)180o/N〕
　　ton=Ts/2〔1+-Msin(R-2/3N)180o/N〕
　　对于W相，有
　　toff=Ts/2〔1-Msin(R+2/3N)180o/N〕
　　toff=Ts/2〔1+Msin(R+2/3N)180o/N〕
　　式中 M—调幅比，即正弦波幅与三角波幅值之比，0＜M＜1
　　TS——采样周期，TS=Tt/2
　　同理，当K为奇数时，相应可求得toff' ton'则ton+ton'即为开关器件导通时间，toff'+ toff''为关断时间。
　　为改善PWM波形，使开关器件的开关频率限制在适当范围之内，因此在整个调节范围内，载波比N要有、若干不同的值，对三相交流电机而言，由于各相相位差为120o，故载波比N必须取3的倍数，而在一定的n值下，调幅比M与频率f也有确定的关系，而它们的关系与U-f曲线有关。当变频器工作时，U-f曲线应满足负载要求，为此调频的同时相应改变了M值，以改变脉冲宽度，从而改变输出电压。论文参考网。
　　在确定了参数M、TS、N、K之后，各相在某点处的导通关断时间即可求出，若求出所有采样点的开通和关断时间，即可得出相应频率下的SPWM波形。
　　2、系统硬件实现方法
　　由于采用不规则采样法，这就要求主控芯片有较高的运算速度，这里我们选用TI公司的TMS320LF2407DSP作为主控芯片，它是TI公司2000系列DSP中较为优秀的一种芯片，执行速度达30MIPS，使得指令周期缩短到33ns(30MHz)，从而提高控制器实时处理能力，此外其还具有两个事件管理模块，每个模块均含有8个16位的PWM通道，可以实现PWM的对称和非对称波形，可编程的PWM死区控制，尤其适合应用于电机控制。系统控制框图如图二所示。
　　
　　图二系统框图
　　2.1逆变器电路
　　逆变器开关器件采用IGBT（绝缘栅型双极晶体管）。它综合BJT和MOSFET的特点，使得开关速度高达20KHz，这样既减少了噪声污染，提高效率，又可使驱动电路变得简单，（因其为压控器件），而且它耐压高、容量大，尤其适合在电机拖动场合的逆变器电路上应用。根据电机容量，我们选择SGL60N90IGBT作为开关器件，为保证可靠性，驱动电路采用IGBT专用模块M57962L（若要求不高，亦可选用IR2130作为驱动芯片），其本身带有高速光耦和短路保护及慢关断功能，可有效保护控制芯片和开关器件的安全。
　　2.2控制电路
　　控制电路主要由DSP芯片组成，频率给定由电位器输出，经U/F转换后送入DSP的AD采样端口，也可由键盘给定。SPWM波形由DSP的6个PWM通道输出，经缓冲隔离后SNG送到驱动电路，控制IGBT的交替导通。利用键盘设定加速、减速分步控制程序，使电机转速按照轧制工艺要求变化，从而满足不同要求。
　　由于电动机的多变量、强耦合特性，使得DSP处于强干扰环境中，因此DSP的安全防护电路是整个系统稳定、可靠运行的关键，有必要采取多种保护措施来保证系统的安全。这里我们采取了过流、过压、短路等保护措施，各种保护信号采样采用霍尔传感器，不仅提高了动态响应特性，同时又实现了电气隔离。利用DSP的PDPINT和CAP引脚功能，在遇到异常情况时关断PWM，从而保证逆变器的安全。
　　3、软件实现
　　系统软件的主要功能是依据设定频率，计算出U、V、W三相的PWM输出脉冲宽度。其由三部分组成，即主程序、定时器周期中断子程序和保护中断子程序。主程序负责各种初始化工作，保护子程序完成故障监控和故障处理功能。程序主体是定时器周期中断子程序，负责完成SPWM的算法。
　　4、结束语
　　以上的设计经调试完成之后应用于某轧管机上，使轧管机工作实现了无级调速，操作人员能按工艺要求调节轧制速度，从而提高管材表面质量。由于变频器启动平稳，调节平滑，减少了对管材冲击，而且能耗比原来减少了15%左右，在实际生产中取得令人满意的效果。

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