控制篇

　　通用變頻器中基于DSP的數字控制器實現

　　引言

　　變頻調速系統的關鍵，就是要沒計一個合理的變頻器，而它的核心就是變頻調速系統的數字控制器。變頻器的數字控制器包括信號的檢測、濾波、整形，核心算法的實時完成以及驅動信號的產生，系統的監控、保護等功能。

　　變頻器數字控制系統的硬件部分，包括微處理器、接口電路及外圍設備，其中微處理器是系統的控制核心，它通過內部控制程序，對從輸入接口輸入的數據進行處理，完成控制計算等工作，通過輸出接口電路向外圍發出各種控制信號，外圍設備除了檢測元件和執行機構，還包括各種操作、顯示以及通信設備。

　　本文采用TI公司的TMS320F240自行設計了一款用于高速電機調速系統的數字控制器，頻率可以通過鍵盤數字給定或者模擬給定，同時對它的功能和技術做了簡要的分析，并給出了電機在18000r/min穩態運行時控制器的輸出波形。

　　1 數字控制器的硬件結構框圖和工作原理

　　數字控制器的硬件以TMS320F240定點DSP為CPU，CY7C199為外部數據和程序存儲器，數據和程序存儲器各32K；16路的模擬/數字輸入通道，其中一路可以用來進行模擬頻率給定；使用了8位數字I/O口，可以用鍵盤通過I/O口來進行數字頻率給定；4路12位的數字/模擬轉換通道，用于電機輸出信號控制；RS232和SPI系列兼容接口，其中將SPI用作變頻調速時電機頻率的LED顯示，將SCI口擴充成RS232接口，其功能布置框圖如圖1所示。

　　圖1：數字控制器的硬件結構示意圖。

　　電機或者逆變器的工作頻率通過鍵盤給定，同時，其頻率顯示通過DSP內部的顯示程序回顯在LED上，當按下運行鍵以后，鍵盤設計頻率被送到產生空間電壓矢量的SVPWM處理子程序，生成的SVPWM波形通過GAL器件保護后輸出，與此同時，電動機或者變頻器的實時運行動態頻率通過LED顯示。正交編碼脈沖可以接入電機的光電編碼器，對系統構成速度環反饋，A/D模塊可以接入電機的電流環，至于變頻調速系統的保護中斷源由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 硬件設計

　　數字信號處理器是數字控制器的核心部分，也是數字控制器對信號的檢測、濾波、整形，核心算法的實時完成以及驅動信號的產生，系統的監控、保護等功能的核心部分。數字控制器的功能模塊設計如下。

　　2.l 數據和程序存儲器的設計

　　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個等待狀態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系統的控制和仿真功能，一般采用存取速度比較高的存儲器來做為DSP的片外數據和程序存儲器。本文采用CY7C199存儲器，存取時間15ns，完全不用提供軟件等待狀態也不用加硬件等待電路，因為，CY7C199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，數據和程序各32K。

　　2.2 DSP復位及時鐘電路的設計

　　為了使系統被復位信號正確地初始化，對復位信號的脈沖寬度必須有一定的要求。對于TMS320F240而言，復位信號至少要lms。不過上電之后，系統的振蕩器達到穩定工作狀態需要20ms甚至更長的時間，一般來說上電復位時，在復位引腳上置100~200ms的一個低電平脈沖是比較合適的。根據這一原則，采用MAXIM公司的集成微處理器監控復位電路來完成，本文使用了MAX705。MAX705監控芯片，與傳統的分立元器件組成的微機監控電路比較，它的可靠性高、動態響應好，功耗小、設計簡單、體積小，在電子產品設計中已得到廣泛的應用。

　　在設計中，時鐘往往不被人充分地重視，其實，時鐘是電路設計中非常重要的一個環節。DSP時鐘既可由外部提供，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鐘為基準的，如果時鐘質量不高，那么系統的可靠性、穩定性就很難保證。本文采用外部時鐘輸入，由有源晶振產生10MHz脈沖，通過覆銅和串接LC濾波電路來抑制外界干擾，保證了系統的穩定工作。

　　2.3 RS232的串行口電路設計

　　RS232是美國電子工業協會于1960年發布的串行通信接口標準，目前應用廣泛的是RS232C和RS232D。

　　RS232C的標準連接為DB25．但在實際應用中采用非標準的DB9連接，實際應用中根據需要對定義的引腳進行取舍。RS232C電氣特性最大的特點是采用了負邏輯，邏輯l的電平是-3V~-15V，邏輯0的電平是+3V~+15V，因此，在使用中有一個電平轉換接口的問題。本文中采用自升壓的集成芯片MAX232C來構成，只由+5V電源來供電，電平轉換所需的±10V電源由片內電荷泵產生。在控制器做好以后，進行了計算機的串行通信接口（SCI）檢驗，數據通信收發正常，能夠穩定工作。

　　2.4 D/A輸出功能塊的設計

　　在數字控制系統中，D/A和A/D電路是必不可少的，根據各種運用場合不同，系統對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位數據并行輸入，4路模擬輸出的D/A轉換器。其建立時間是10μs，功耗20mW，電源可以采用單電源+5V和雙電源±5V供電，廣泛應用于電機控制和數據采集等。數模轉換器DAC的數據輸入來自DSP的高12位，通過74LS245送到DAC7625的數據端，采用單電源+5V供電，參考電壓VHEFH使用精密穩壓器件提供的+2.5V，VHEFL模擬地，其輸出通

　　過運算放大器TLCH2272進行放大，輸出范圍為0~+5V。

　　控制篇

　　通用變頻器中基于DSP的數字控制器實現

　　引言

　　變頻調速系統的關鍵，就是要沒計一個合理的變頻器，而它的核心就是變頻調速系統的數字控制器。變頻器的數字控制器包括信號的檢測、濾波、整形，核心算法的實時完成以及驅動信號的產生，系統的監控、保護等功能。

　　變頻器數字控制系統的硬件部分，包括微處理器、接口電路及外圍設備，其中微處理器是系統的控制核心，它通過內部控制程序，對從輸入接口輸入的數據進行處理，完成控制計算等工作，通過輸出接口電路向外圍發出各種控制信號，外圍設備除了檢測元件和執行機構，還包括各種操作、顯示以及通信設備。

　　本文采用TI公司的TMS320F240自行設計了一款用于高速電機調速系統的數字控制器，頻率可以通過鍵盤數字給定或者模擬給定，同時對它的功能和技術做了簡要的分析，并給出了電機在18000r/min穩態運行時控制器的輸出波形。

　　1 數字控制器的硬件結構框圖和工作原理

　　數字控制器的硬件以TMS320F240定點DSP為CPU，CY7C199為外部數據和程序存儲器，數據和程序存儲器各32K；16路的模擬/數字輸入通道，其中一路可以用來進行模擬頻率給定；使用了8位數字I/O口，可以用鍵盤通過I/O口來進行數字頻率給定；4路12位的數字/模擬轉換通道，用于電機輸出信號控制；RS232和SPI系列兼容接口，其中將SPI用作變頻調速時電機頻率的LED顯示，將SCI口擴充成RS232接口，其功能布置框圖如圖1所示。

　　圖1：數字控制器的硬件結構示意圖。

　　電機或者逆變器的工作頻率通過鍵盤給定，同時，其頻率顯示通過DSP內部的顯示程序回顯在LED上，當按下運行鍵以后，鍵盤設計頻率被送到產生空間電壓矢量的SVPWM處理子程序，生成的SVPWM波形通過GAL器件保護后輸出，與此同時，電動機或者變頻器的實時運行動態頻率通過LED顯示。正交編碼脈沖可以接入電機的光電編碼器，對系統構成速度環反饋，A/D模塊可以接入電機的電流環，至于變頻調速系統的保護中斷源由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 硬件設計

　　數字信號處理器是數字控制器的核心部分，也是數字控制器對信號的檢測、濾波、整形，核心算法的實時完成以及驅動信號的產生，系統的監控、保護等功能的核心部分。數字控制器的功能模塊設計如下。

　　2.l 數據和程序存儲器的設計

　　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個等待狀態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系統的控制和仿真功能，一般采用存取速度比較高的存儲器來做為DSP的片外數據和程序存儲器。本文采用CY7C199存儲器，存取時間15ns，完全不用提供軟件等待狀態也不用加硬件等待電路，因為，CY7C199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，數據和程序各32K。

　　2.2 DSP復位及時鐘電路的設計

　　為了使系統被復位信號正確地初始化，對復位信號的脈沖寬度必須有一定的要求。對于TMS320F240而言，復位信號至少要lms。不過上電之后，系統的振蕩器達到穩定工作狀態需要20ms甚至更長的時間，一般來說上電復位時，在復位引腳上置100~200ms的一個低電平脈沖是比較合適的。根據這一原則，采用MAXIM公司的集成微處理器監控復位電路來完成，本文使用了MAX705。MAX705監控芯片，與傳統的分立元器件組成的微機監控電路比較，它的可靠性高、動態響應好，功耗小、設計簡單、體積小，在電子產品設計中已得到廣泛的應用。

　　在設計中，時鐘往往不被人充分地重視，其實，時鐘是電路設計中非常重要的一個環節。DSP時鐘既可由外部提供，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鐘為基準的，如果時鐘質量不高，那么系統的可靠性、穩定性就很難保證。本文采用外部時鐘輸入，由有源晶振產生10MHz脈沖，通過覆銅和串接LC濾波電路來抑制外界干擾，保證了系統的穩定工作。

　　2.3 RS232的串行口電路設計

　　RS232是美國電子工業協會于1960年發布的串行通信接口標準，目前應用廣泛的是RS232C和RS232D。

　　RS232C的標準連接為DB25．但在實際應用中采用非標準的DB9連接，實際應用中根據需要對定義的引腳進行取舍。RS232C電氣特性最大的特點是采用了負邏輯，邏輯l的電平是-3V~-15V，邏輯0的電平是+3V~+15V，因此，在使用中有一個電平轉換接口的問題。本文中采用自升壓的集成芯片MAX232C來構成，只由+5V電源來供電，電平轉換所需的±10V電源由片內電荷泵產生。在控制器做好以后，進行了計算機的串行通信接口（SCI）檢驗，數據通信收發正常，能夠穩定工作。

　　2.4 D/A輸出功能塊的設計

　　在數字控制系統中，D/A和A/D電路是必不可少的，根據各種運用場合不同，系統對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位數據并行輸入，4路模擬輸出的D/A轉換器。其建立時間是10μs，功耗20mW，電源可以采用單電源+5V和雙電源±5V供電，廣泛應用于電機控制和數據采集等。數模轉換器DAC的數據輸入來自DSP的高12位，通過74LS245送到DAC7625的數據端，采用單電源+5V供電，參考電壓VHEFH使用精密穩壓器件提供的+2.5V，VHEFL模擬地，其輸出通

　　過運算放大器TLCH2272進行放大，輸出范圍為0~+5V。

　　2.5 鍵盤輸入接口電路和LED顯示電路設計

　　鍵盤和七段LED顯示器是微型計算機系統最常用的輸入、輸出沒備。它是實現人機之間進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據、命令等轉換成計算機識？e的二進制代碼，即計算機能識別的符號；七段LED顯示器則是把計算機的運算結果、狀態等代碼轉換成為人們能識？e的符號顯示出來。鍵盤是計算機系統的主要輸入沒備，特？e是在微處理器中，鍵盤設汁成為必然。本文在設計時考慮到DSP處理速度的快速性，對于鍵盤去抖動環節，采用了硬件延時電路，具體電路如圖2所示。

　　圖2：數字控制器中DSP鍵盤輸入接口電路。

　　七段LED顯示器有靜態顯示和動態顯示兩種連接方式。動態掃描方式節省硬件，常用的BCD七段譯碼驅動和動態掃描驅動電路有兩種，如Intel 8279、Max 7219等，控制器中采用MAX7219芯片。DSP具有一個與外設打交道的串行接口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數字顯示驅動器，內沒多個控制和數據寄存器，其工作方式可通過編程靈活地設計，它是體積小、功能強大、使用靈活方便的串行接口。應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。另外一個問題是，說明書中雖然說寄存器可以使用任意數字，比如說數據格式中的高4位用的是XXXX來表示，但是，在實際應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，在串行數據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，如果波動比較大的話，MAX7219比較容易損壞。

　　2.6 SVPWM脈沖輸出模塊的設計

　　空間電壓矢量SVPWM脈沖輸出是數字控制器中的關鍵部分，電機調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內部編程可以加入死區？技洌？但是用微處理器產生的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器件做了互鎖保護電路，防止逆變器同一橋臂上下器件的直通，數字控制器中使用的是Lattice公司的GAL16V8。

　　3 軟件設計

　　隨著變頻器產品的不斷成熟，它的功能也不斷豐富，可靠性也得到不斷提高，從而導致了其程序編制的復雜度和難度。本文設計的變頻調速系統是針對實驗室無軸承高頻電機用，主要完成了一些基本功能，比如頻率的設定與顯示，低速時轉距補償功能等，程序不是特別復雜，設計程序近2000行，廾對程序進行了測試，證明程序運行良好。本文變頻調速系統中的整個程序主要由主程序、鍵盤程序、顯示程序、PWM程序、故障保護中斷程序等組成。

　　3.l 主程序和故障保護中斷程序

　　主程序是整個程序的最主要部分，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，波形發生器的初始化，定時計數器的初始化，SPl的初始化，MAX7219的初始化等。讀數到內部寄存器，就是把常用的數據讀人到內部寄存器，縮短DSP處理時間，更好地實現實？夾?。森懆频挛g？理，就是判斷按鍵所給定的值，判別所設定的頻率誰是最終的目標頻率。頻率顯示部分，就是把最終目標頻率，按常規以千位、百位、十位、個位通過LED顯示出來。運行控制就是根據RUN鍵來決定是否啟動電機運行。在硬件設計上，采用的是富士公司的第三代智能功率模塊IPM，它的內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，完成相應的保護功能，具體流程圖如圖3（b）所示。

　　圖3：主程序和保護程序流程。

　　3.2 SVPWM中斷子程序

　　PWM 中斷子程序是整個控制器工作的關鍵程序，空間電壓矢量調制的完成就是靠它來實現的，具體的流程圖如圖4所示。PWM發生程序主要完成如下的功能：電機運行時頻率的動態顯示，根據主程序中所給定的目標頻率，可以得到角速度ω，ω經過積分運算可以得到usref的角度θ，然后計算usref在兩相靜止坐標系α，β軸上的投影usα及usβ，有了θ可以同時計算出參考電壓矢量所在的扇區/N，根據已知量由公用值求取兩相鄰電壓矢量的作用時間T1、T2和T0，然后給DSP內部的3個全比較寄存器CMPRx（x=1，2，3）進行賦值，產生相應的5VPWM波形。

　　圖4：SVPWN中斷子程序流程圖。

　　4 實驗結果

　　根據前面介紹的系統硬件電路和軟件控制算法，對制作的原理樣機進行了實驗研究。實驗測試了異步電動機空載穩態運行情況，以此來檢測原理樣機的可行性，對實驗結果進行了波形記錄，300 Hz穩態運行時其PWM控制波形和測得的異步電機實測線電壓波形如圖5所示。

　　圖5：300Hz時控制器輸出的控制波形和實測電機線電壓波形。

　　實驗用高頻電機的參數如下：

　　額定電壓Un=220V，額定電流In=1.5A，額定頻率f=400Hz，異步電機的極對數=1，額定功率Pe=800W，額定空載電流0.75A。

　　5 結語

　　以TMS320F240數字信號處理器為核心構成的數字控制器是一個信號處理系統，該系統可以完成信號的檢測、濾波、整形，核心算法的實時完成以及驅動信號的產生，系統的監控、保護等功能，相對于一般的單片機構成的系統，它的處理速度快、實時性能比較好，也易于選擇和配合，同時集測量、監控、保護于一身，可與上位機通信，具有很高的使用價值。