通用變頻器中基于DSP的數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)

0 引言
變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵，就是要沒計(jì)一個(gè)合理的變頻器，而它的核心就是變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制器。變頻器的數(shù)字控制器包括信號的檢測、濾波、整形，核心算法的實(shí)時(shí)完成以及驅(qū)動(dòng)信號的產(chǎn)生，系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)等功能。
變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件部分，包括微處
理器、接口電路及外圍設(shè)備，其中微處理器是系統(tǒng)的控制核心，它通過內(nèi)部控制程序，對從輸入接口輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成控制計(jì)算等工作，通過輸出接口電路向外圍發(fā)出各種控制信號，外圍設(shè)備除了檢測元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還包括各種操作、顯示以及通信設(shè)備。
本文采用TI公司的TMS320F240自行設(shè)計(jì)了一款用于高速電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制器，頻率可以通過鍵盤數(shù)字給定或者模擬給定，同時(shí)對它的功能和技術(shù)做了簡要的分析，并給出了電機(jī)在18000r／min穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)控制器的輸出波形。

1 數(shù)字控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖和工作原理
數(shù)字控制器的硬件以TMS320F240定點(diǎn)DSP為CPU，CY7C199為外部數(shù)據(jù)和程序存儲器，數(shù)據(jù)和程序存儲器各32K；16路的模擬／數(shù)字輸入通道，其中一路可以用來進(jìn)行模擬頻率給定；使用了8位數(shù)字I／O口，可以用鍵盤通過I／O口來進(jìn)行數(shù)字頻率給定；4路12位的數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換通道，用于電機(jī)輸出信號控制；RS232和SPI系列兼容接口，其中將SPI用作變頻調(diào)速時(shí)電機(jī)頻率的LED顯示，將SCI口擴(kuò)充成RS232接口，其功能布置框圖如圖1所示。

電機(jī)或者逆變器的工作頻率通過鍵盤給定，同時(shí)，其頻率顯示通過DSP內(nèi)部的顯示程序回顯在LED上，當(dāng)按下運(yùn)行鍵以后，鍵盤設(shè)計(jì)頻率被送到產(chǎn)生空間電壓矢量的SVPWM處理子程序，生成的SVPWM波形通過GAL器件保護(hù)后輸出，與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)或者變頻器的實(shí)時(shí)運(yùn)行動(dòng)態(tài)頻率通過LED顯示。正交編碼脈沖可以接入電機(jī)的光電編碼器，對系統(tǒng)構(gòu)成速度環(huán)反饋，A／D模塊可以接入電機(jī)的電流環(huán)，至于變頻調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)中斷源由DSP的引腳PDPINT提供，主要是過壓、過流、控制電壓欠壓、過熱等中斷源。電機(jī)的速度或者逆變器的輸出頻率可以通過鍵盤改變。

2 硬件設(shè)計(jì)
數(shù)字信號處理器是數(shù)字控制器的核心部分，也是數(shù)字控制器對信號的檢測、濾波、整形，核心算法的實(shí)時(shí)完成以及驅(qū)動(dòng)信號的產(chǎn)生，系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)等功能的核心部分。數(shù)字控制器的功能模塊設(shè)計(jì)如下。
2.l 數(shù)據(jù)和程序存儲器的設(shè)計(jì)
DSP是一種高速存取器件，對于外圍接口芯片有較高的要求，雖然DSP本身可以軟件提供0~7個(gè)等待狀態(tài)來滿足與片外存取器件速度的匹配，但是為了不至于影響整個(gè)系統(tǒng)的控制和仿真功能，一般采用存取速度比較高的存儲器來做為DSP的片外數(shù)據(jù)和程序存儲器。本文采用CY7C199存儲器，存取時(shí)間15ns，完全不用提供軟件等待狀態(tài)也不用加硬件等待電路，因?yàn)椋珻Y7C199是32K的8位存儲器，所以，使用了4片該存儲器組成了32K的16位存儲器RAM，數(shù)據(jù)和程序各32K。
2.2 DSP復(fù)位及時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)
為了使系統(tǒng)被復(fù)位信號正確地初始化，對復(fù)位信號的脈沖寬度必須有一定的要求。對于TMS320F240而言，復(fù)位信號至少要lms。不過上電之后，系統(tǒng)的振蕩器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)需要20ms甚至更長的時(shí)間，一般來說上電復(fù)位時(shí)，在復(fù)位引腳上置100~200ms的一個(gè)低電平脈沖是比較合適的。根據(jù)這一原則，采用MAXIM公司的集成微處理器監(jiān)控復(fù)位電路來完成，本文使用了MAX705。MAX705監(jiān)控芯片，與傳統(tǒng)的分立元器件組成的微機(jī)監(jiān)控電路比較，它的可靠性高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，功耗小、設(shè)計(jì)簡單、體積小，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已得到廣泛的應(yīng)用。
在設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘往往不被人充分地重視，其實(shí)，時(shí)鐘是電路設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。DSP時(shí)鐘既可由外部提供，亦可由板上的振蕩器來提供。由于DSP及其它芯片工作都是以時(shí)鐘為基準(zhǔn)的，如果時(shí)鐘質(zhì)量不高，那么系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就很難保證。本文采用外部時(shí)鐘輸入，由有源晶振產(chǎn)生10MHz脈沖，通過覆銅和串接LC濾波電路來抑制外界干擾，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。
2．3 RS232的串行口電路設(shè)計(jì)
RS232是美國電子工業(yè)協(xié)會于1960年發(fā)布的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，目前應(yīng)用廣泛的是RS232C和RS232D。 RS232C的標(biāo)準(zhǔn)連接為
DB25．但在實(shí)際應(yīng)用中采用非標(biāo)準(zhǔn)的DB9連接，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要對定義的引腳進(jìn)行取舍。RS232C電氣特性最大的特點(diǎn)是采用了負(fù)邏輯，邏輯l的電平是一3V一一15V，邏輯0的電平是+3V~+15V，因此，在使用中有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換接口的問題。本文中采用自升壓的集成芯片MAX232C來構(gòu)成，只由+5V電源來供電，電平轉(zhuǎn)換所需的10V電源由片內(nèi)電荷泵產(chǎn)生。在控制器做好以后，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)的串行通信接口(SCI)檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)通信收發(fā)正常，能夠穩(wěn)定工作。
2.4 D／A輸出功能塊的設(shè)計(jì)
在數(shù)字控制系統(tǒng)中，D／A和A／D電路是必不可少的，根據(jù)各種運(yùn)用場合不同，系統(tǒng)對D／A、A／D的速度要求也不一樣。本文中使用的是并行輸入的D／A芯片DAC7625，它是12位數(shù)據(jù)并行輸入，4路模擬輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。其建立時(shí)間是10μs，功耗20mW，電源可以采用單電源+5V和雙電源5V供電，廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集等。數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的數(shù)據(jù)輸入來自DSP的高12位，通過74LS245送到DAC7625的數(shù)據(jù)端，采用單電源+5V供電，參考電壓VHEFH使用精密穩(wěn)壓器件提供的+2.5V，VHEFL模擬地，其輸出通
過運(yùn)算放大器TLCH2272進(jìn)行放大，輸出范圍為0~+5V。
2.5 鍵盤輸入接口電路和LED顯示電路設(shè)計(jì)
鍵盤和七段LED顯示器是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最常用的輸入、輸出沒備。它是實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間進(jìn)行信息交換的主要通路。鍵盤的功能就是把人們要處理的數(shù)據(jù)、命令等轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)識e的二進(jìn)制代碼，即計(jì)算機(jī)能識別的符號；七段LED顯示器則是把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果、狀態(tài)等代碼轉(zhuǎn)換成為人們能識e的符號顯示出來。鍵盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要輸入沒備，特e是在微處理器中，鍵盤設(shè)汁成為必然。本文在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到DSP處理速度的快速性，對于鍵盤去抖動(dòng)環(huán)節(jié)，采用了硬件延時(shí)電路，具體電路如圖2所示。

七段LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種連接方式。動(dòng)態(tài)掃描方式節(jié)省硬件，常用的BCD七段譯碼驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路有兩種，如Intel 8279、Max 7219等，控制器中采用MAX7219芯片。DSP具有一個(gè)與外設(shè)打交道的串行接口SPl，這為串行接門顯示提供了方便。MAX7219足一種串行的共陰極LED數(shù)字顯示驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)沒多個(gè)控制和數(shù)據(jù)寄存器，其工作方式可通過編程靈活地設(shè)計(jì)，它是體積小、功能強(qiáng)大、使用靈活方便的串行接口。應(yīng)用中需要注意的問題就是，MAX7219抗，EMI能力比較差， 相對而言用MAX7221比較可靠一點(diǎn)。另外一個(gè)問題是，說明書中雖然說寄存器可以使用任意數(shù)字，比如說數(shù)據(jù)格式中的高4位用的是XXXX來表示，但是，在實(shí)際應(yīng)用中最好使用非零位，本文采用1111來表示，可以增加抗干擾能力。另外，在串行數(shù)據(jù)線和電源中必須加適量電容，以提高抗干擾能力，特別是電源尤其要注意，如果波動(dòng)比較大的話，MAX7219比較容易損壞。
2.6 SVPWM脈沖輸出模塊的設(shè)計(jì)
空間電壓矢量SVPWM脈沖輸出是數(shù)字控制器中的關(guān)鍵部分，電機(jī)調(diào)速或者逆變器的頻率就是由SVPWM波形來控制的。為了防止逆變器的上下橋臂直通，雖然在DSP內(nèi)部編程可以加入死區(qū)技洌但是用微處理器產(chǎn)生的SVPWM脈沖可能由于程序跑飛而造成控制混亂，為安全起見，采用GAL器件做了互鎖保護(hù)電路，防止逆變器同一橋臂上下器件的直通，數(shù)字控制器中使用的是Lattice公司的GAL16V8。

3 軟件設(shè)計(jì)
隨著變頻器產(chǎn)品的不斷成熟，它的功能也不斷豐富，可靠性也得到不斷提高，從而導(dǎo)致了其程序編制的復(fù)雜度和難度。本文設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速系統(tǒng)是針對實(shí)驗(yàn)室無軸承高頻電機(jī)用，主要完成了一些基本功能，比如頻率的設(shè)定與顯示，低速時(shí)轉(zhuǎn)距補(bǔ)償功能等，程序不是特別復(fù)雜，設(shè)計(jì)程序近2000行，廾對程序進(jìn)行了測試，證明程序運(yùn)行良好。本文變頻調(diào)速系統(tǒng)中的整個(gè)程序主要由主程序、鍵盤程序、顯示程序、PWM程序、故障保護(hù)中斷程序等組成。
3.l 主程序和故障保護(hù)中斷程序
主程序是整個(gè)程序的最主要部分，它完成了變頻器的主要功能，它的流程圖如圖3(a)所示。程序初始化部分主要包括：I／O口的初始化，波形發(fā)生器的初始化，定時(shí)計(jì)數(shù)器的初始化，SPl的初始化，MAX7219的初始化等。讀數(shù)到內(nèi)部寄存器，就是把常用的數(shù)據(jù)讀人到內(nèi)部寄存器，縮短DSP處理時(shí)間，更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)夾?。森懆频挛g理，就是判斷按鍵所給定的值，判別所設(shè)定的頻率誰是最終的目標(biāo)頻率。頻率顯示部分，就是把最終目標(biāo)頻率，按常規(guī)以千位、百位、十位、個(gè)位通過LED顯示出來。運(yùn)行控制就是根據(jù)RUN鍵來決定是否啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。在硬件設(shè)計(jì)上，采用的是富士公司的第三代智能功率模塊IPM，它的內(nèi)部本身就集成
廠過壓、過流、過熱、控制電壓欠壓、短路等的輸出報(bào)警功能，通過光耦隔離后送入到DSP的外部中斷源引腳PDPINT，完成相應(yīng)的保護(hù)功能，具體流程圖如圖3(b)所示。

3.2 SVPWM中斷子程序
PWM 中斷子程序是整個(gè)控制器工作的關(guān)鍵程序，空間電壓矢量調(diào)制的完成就是靠它來實(shí)現(xiàn)的，具體的流程圖如圖4所示。PWM發(fā)生程序主要完成如下的功能：電機(jī)運(yùn)行時(shí)頻率的動(dòng)態(tài)顯示，根據(jù)主程序中所給定的目標(biāo)頻率，可以得到角速度ω，ω經(jīng)過積分運(yùn)算可以得到usref的角度θ，然后計(jì)算usref在兩相靜止坐標(biāo)系α，β軸上的投影usα及usβ，有了θ可以同時(shí)計(jì)算出參考電壓矢量所在的扇區(qū)／N，根據(jù)已知量由公用值求取兩相鄰電壓矢量的作用時(shí)間T1、T2和T0，然后給DSP內(nèi)部的3個(gè)全比較寄存器CMPRx（x=1，2，3)進(jìn)行賦值，產(chǎn)生相應(yīng)的5VPWM波形。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)前面介紹的系統(tǒng)硬件電路和軟件控制算法，對制作的原理樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測試了異步電動(dòng)機(jī)空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況，以此來檢測原理樣機(jī)的可行性，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了波形記錄，300 Hz穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)其PWM控制波形和測得的異步電機(jī)實(shí)測線電壓波形如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)用高頻電機(jī)的參數(shù)如下：
額定電壓Un=220V，額定電流In=1.5A，額定頻率f=400Hz，異步電機(jī)的極對數(shù)=1，額定功率Pe=800W，額定空載電流0.75A。

5 結(jié)語
以TMS320F240數(shù)字信號處理器為核心構(gòu)成的數(shù)字控制器是一個(gè)信號處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成信號的檢測、濾波、整形，核心算法的實(shí)時(shí)完成以及驅(qū)動(dòng)信號的產(chǎn)生，系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)等功能，相對于一般的單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)，它的處理速度快、實(shí)時(shí)性能比較好，也易于選擇和配合，同時(shí)集測量、監(jiān)控、保護(hù)于一身，可與上位機(jī)通信，具有很高的使用價(jià)值。