從20世紀初，可調速傳動的電動機在鋼鐵工業和汽車工業中就已獲得了廣泛的應用。用于交流電動機調速的調速系統主要是專用的模擬控制芯片，雖然采用模擬芯片的調速系統[1]具有設計簡單、成本較低等優點，但是由于調試復雜、升級不便等問題一直困擾交流電機調速系統的發展。隨著電力電子器件和數字控制技術的發展，各種通用的、高性能的交流傳動控制系統相繼誕生，多種交流調速技術[2]己經趨于成熟，運行可靠性很高,其性能指標可以做到與模擬控制調速系統一樣，甚至完全可以取代模擬控制調速系統。
    目前數字處理（DSP）技術逐漸成熟[3]，新一代DSP采用哈佛結構、流水線操作(即程序、數據存儲器彼此獨立)，在每一時鐘周期內完成取指、譯碼、讀數據以及執行指令等多個操作，從而大大減少了指令執行周期。另外，由于其特有的寄存器結構、功能強大的尋址方式、靈活的指令系統及其強大的浮點運算能力，使得DSP不僅運算能力較單片機有了較大的提高，而且在該處理器上更容易實現高級語言。其特殊的結構設計和超強的運算能力，使得以前需要硬件才能實現的功能可移植到DSP中以軟件實現，也使得數字信號處理中的一些理論和算法得以實時實現。
1 數字控制變頻器系統介紹
    數字控制變頻器系統主要由主電路和控制電路組成，主電路采用典型的電壓型交－直－交通用變頻器結構；控制電路主要包括DSP數字控制器，由DSP、驅動電路、檢測電路、保護電路以及輔助電源電路組成。主電路和控制電路原理系統結構框圖如圖1所示。

1.1 主電路設計
    數字控制變頻器主電路[4]的原理結構圖如圖2所示，由濾波、整流、中間濾波、泵升吸收和逆變部分組成。輸入功率級采用三相橋式不可控全波整流電路，整流輸出經過中間環節大電容濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率管的導通和關斷，輸出交變的脈沖電壓序列。

    整流電路將交流動力電變為直流電，本系統采用不可控全波整流模塊6RI75G-120。為防止電網或逆變器等產生的尖峰電壓對整流電路的沖擊，在直流輸出側并聯了一個可吸收高頻電壓的聚脂乙烯電容C4，取值為0.22 μF。整流電路輸出的直流電壓含有脈動成分，逆變部分產生的脈動電流及負載變化也為直流電壓脈動，由C1、C2濾波，取值為450 V、470 μF；R2、R3為均壓電阻，取值為5 W、100 kΩ；R1為充電限流電阻。啟動變頻器后經1 s～2 s，由J2繼電器短路，以減少變頻器正常工作時在中間直流環節上的功耗。逆變部分電路采用EUPEC的FF300R12KE3集成模塊，其內部集成了2個IGBT單元，比較適合變頻逆變驅動，其具體極限參數：集射極電壓VCES=1 200 V ，結溫80 ℃時集射極電流ICE=300 A，結溫25 ℃時集射極電流ICE=480 A，允許過流600 A，時間為1 ms，功率損耗為1 450 W，門極驅動電壓為±20 V。
    如圖2所示，TL、RL構成泵升電壓吸收電路[5]，當電機負載進入制動狀態時，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導致直流電壓上升。當直流電壓上升到一定值時，控制TL導通，使這部分能量消耗在電阻RL上，確保變頻器可靠安全地工作。此外，由J1常閉觸點與R4組成斷電能量釋放電路。當系統發生故障或關機時，繼電器J1斷電，通過其常開觸點，將變頻器與電網斷開；而常閉觸點閉合，利用R4為中間回路大電容所儲存的能量提高釋放通道。
1.2 基于DSP的控制電路設計
    以TMS320F2812為核心的數字控制電路如圖3所示。從圖中可以看出，控制系統[3]主要包括：DSP及其外圍電路、信號檢測與調理電路、驅動電路和保護電路。其中，信號檢測與調理電路主要完成對圖2輸出電流和輸出電壓采樣、A/D等功能，DSP產生脈沖信號，通過D/A轉換后驅動功率開關管U1～U6。

    TMS320LF240片內集成了采樣保持電路和模擬多路轉換器的雙十位A/D轉換，為了盡量充分利用芯片資源，采用了片內A/D轉換進行設計。使用雙減法電流[6]采樣電路，采樣方案中的運算放大器是TLC2274。第一運放U8A的輸出電壓為：
  
    由于電機啟動時的電流非常大或因控制回路、驅動電路等誤動作，造成輸出電路短路等故障，導致過大的電流流過IGBT，且電流變化非?？欤惺芨唠妷?、大電流，因此需要一種能快速檢測出過大電流的電路。可以采用2SD315A自身檢測和檢測直流母線的雙重檢測以及在故障發生時，采用軟、硬件同時封鎖的方法[8]。直流母線電壓的變化，對整個逆變系統有較大的影響。當母線電壓過低，電網輸出不能達到系統要求時，需要盡快切斷電源，防止對電機或者逆變系統造成破壞；相反，母線電壓過高，很容易使功率驅動管燒毀。為有效地保護功率IGBT和直流濾波電容，系統設計了母線電壓過欠壓保護電路，故障檢測原理如圖4所示。圖中6N138為一個線性光電隔離器，輸出電壓信號與母線電壓成正比，當通過光電隔離器件后，可以直接供給DSP控制系統進行采樣。同時，將輸出Vlimit信號送至DSP，觸發中斷保護。

1.3 系統控制算法軟件實現
    DSP數字控制能夠實現較之模擬控制更為高級而且復雜的控制策略，與模擬控制電路相比較，數字控制電路擁有更多的優點[9]。由數字PID代替傳統的模擬PID具有設計周期短、靈活多變易的控制策略和電磁干擾小等優點。數字控制系統主程序圖[10]如圖5所示，主程序模塊主要功能是完成系統的初始化，PLL時鐘的設定：DSP工作頻率設為20 MHz；輸入輸出端口初始化。事件管理器初始化；定時器1、2、3的設定、全比較PWM單元設定、死區單元設定；QEP工作方式設定。中斷管理初始化：中斷除復位、NMI位，只允許PDPINT、中斷3。PDPINT是功率設備保護中斷，中斷3用于系統完成控制算法。

2 實驗結果及分析
    試驗條件：輸入電壓是三相交流380 V±15%，電機型號為Y160L-4，額定功率為15 kW，額定電壓為380 V（Y型），額定電流為30 A，額定轉速為1 440 rp。
    為了驗證數字控制用于調速的變頻器的可行性，設計了基于TMS320F2812的試驗機。系統輸入電壓為交流380 V，測量儀器為Agilent54622A示波器，高壓探頭衰減系數100：1，頻率設定值為變頻器液晶面板顯示值。A、B兩點的電壓波形如圖6、圖7所示。以實驗結果可以看出，設計方案具有一定的可行性。采用基于高速DSP的SPWM方式控制的逆變器，其輸出的波形具有較好的正弦波，諧波優化程度高，大大減少了諧波損耗，提高了電壓的利用率，增加了系統運轉的平穩性。但由于沒有結合波形控制技術，在帶整流負載時的輸出波形有一定的畸變。

    數字控制變頻器相對模擬控制變頻器具有不可比擬的優勢，如減少了體積和重量，提高了控制精度，方便維修升級。隨著控制理論與實施手段不斷完善以及DSP價格不斷降低，數字控制變頻器將成為重要的研究方向。
參考文獻
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