從20世紀(jì)初,，可調(diào)速傳動的電動機在鋼鐵工業(yè)和汽車工業(yè)中就已獲得了廣泛的應(yīng)用。用于交流電動機調(diào)速的調(diào)速系統(tǒng)主要是專用的模擬控制芯片,，雖然采用模擬芯片的調(diào)速系統(tǒng)[1]具有設(shè)計簡單,、成本較低等優(yōu)點，但是由于調(diào)試復(fù)雜,、升級不便等問題一直困擾交流電機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展,。隨著電力電子器件和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，各種通用的、高性能的交流傳動控制系統(tǒng)相繼誕生,，多種交流調(diào)速技術(shù)[2]己經(jīng)趨于成熟,，運行可靠性很高,其性能指標(biāo)可以做到與模擬控制調(diào)速系統(tǒng)一樣，甚至完全可以取代模擬控制調(diào)速系統(tǒng),。
    目前數(shù)字處理（DSP）技術(shù)逐漸成熟[3],，新一代DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作(即程序,、數(shù)據(jù)存儲器彼此獨立),，在每一時鐘周期內(nèi)完成取指、譯碼,、讀數(shù)據(jù)以及執(zhí)行指令等多個操作,，從而大大減少了指令執(zhí)行周期。另外,，由于其特有的寄存器結(jié)構(gòu),、功能強大的尋址方式、靈活的指令系統(tǒng)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(xiàn)高級語言。其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和超強的運算能力,，使得以前需要硬件才能實現(xiàn)的功能可移植到DSP中以軟件實現(xiàn),，也使得數(shù)字信號處理中的一些理論和算法得以實時實現(xiàn)。
1 數(shù)字控制變頻器系統(tǒng)介紹
    數(shù)字控制變頻器系統(tǒng)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(jié)構(gòu),；控制電路主要包括DSP數(shù)字控制器，由DSP,、驅(qū)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 主電路設(shè)計
    數(shù)字控制變頻器主電路[4]的原理結(jié)構(gòu)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(jīng)過中間環(huán)節(jié)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(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列,。

    整流電路將交流動力電變?yōu)橹绷麟?，本系統(tǒng)采用不可控全波整流模塊6RI75G-120,。為防止電網(wǎng)或逆變器等產(chǎn)生的尖峰電壓對整流電路的沖擊，在直流輸出側(cè)并聯(lián)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(chǎn)生的脈動電流及負(fù)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(jīng)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(huán)節(jié)上的功耗,。逆變部分電路采用EUPEC的FF300R12KE3集成模塊,，其內(nèi)部集成了2個IGBT單元，比較適合變頻逆變驅(qū)動,，其具體極限參數(shù)：集射極電壓VCES=1 200 V ,，結(jié)溫80 ℃時集射極電流ICE=300 A，結(jié)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(qū)動電壓為±20 V,。
    如圖2所示，TL,、RL構(gòu)成泵升電壓吸收電路[5],，當(dāng)電機負(fù)載進(jìn)入制動狀態(tài)時，反饋電流將向中間直流回路電容充電,，導(dǎo)致直流電壓上升,。當(dāng)直流電壓上升到一定值時，控制TL導(dǎo)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或關(guān)機時,，繼電器J1斷電，通過其常開觸點,，將變頻器與電網(wǎng)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(shè)計
    以TMS320F2812為核心的數(shù)字控制電路如圖3所示,。從圖中可以看出，控制系統(tǒng)[3]主要包括：DSP及其外圍電路,、信號檢測與調(diào)理電路,、驅(qū)動電路和保護電路。其中,，信號檢測與調(diào)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(chǎn)生脈沖信號,，通過D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動功率開關(guān)管U1～U6,。

    TMS320LF240片內(nèi)集成了采樣保持電路和模擬多路轉(zhuǎn)換器的雙十位A/D轉(zhuǎn)換，為了盡量充分利用芯片資源,，采用了片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行設(shè)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(qū)動電路等誤動作，造成輸出電路短路等故障,，導(dǎo)致過大的電流流過IGBT,，且電流變化非常快,，元件承受高電壓,、大電流，因此需要一種能快速檢測出過大電流的電路,?？梢圆捎?SD315A自身檢測和檢測直流母線的雙重檢測以及在故障發(fā)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(tǒng)有較大的影響,。當(dāng)母線電壓過低，電網(wǎng)輸出不能達(dá)到系統(tǒng)要求時，需要盡快切斷電源,，防止對電機或者逆變系統(tǒng)造成破壞,；相反，母線電壓過高,，很容易使功率驅(qū)動管燒毀,。為有效地保護功率IGBT和直流濾波電容，系統(tǒng)設(shè)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(dāng)通過光電隔離器件后,，可以直接供給DSP控制系統(tǒng)進(jìn)行采樣。同時,，將輸出Vlimit信號送至DSP,，觸發(fā)中斷保護。

1.3 系統(tǒng)控制算法軟件實現(xiàn)
    DSP數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)較之模擬控制更為高級而且復(fù)雜的控制策略,，與模擬控制電路相比較,，數(shù)字控制電路擁有更多的優(yōu)點[9]。由數(shù)字PID代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬PID具有設(shè)計周期短,、靈活多變易的控制策略和電磁干擾小等優(yōu)點,。數(shù)字控制系統(tǒng)主程序圖[10]如圖5所示，主程序模塊主要功能是完成系統(tǒng)的初始化,，PLL時鐘的設(shè)定：DSP工作頻率設(shè)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(shè)定,、全比較PWM單元設(shè)定,、死區(qū)單元設(shè)定；QEP工作方式設(shè)定,。中斷管理初始化：中斷除復(fù)位,、NMI位，只允許PDPINT,、中斷3,。PDPINT是功率設(shè)備保護中斷，中斷3用于系統(tǒng)完成控制算法,。

2 實驗結(jié)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(zhuǎn)速為1 440 rp。
    為了驗證數(shù)字控制用于調(diào)速的變頻器的可行性,，設(shè)計了基于TMS320F2812的試驗機,。系統(tǒng)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(shù)100：1,，頻率設(shè)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(jié)果可以看出,，設(shè)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(yōu)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(tǒng)運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性,。但由于沒有結(jié)合波形控制技術(shù)，在帶整流負(fù)載時的輸出波形有一定的畸變,。

    數(shù)字控制變頻器相對模擬控制變頻器具有不可比擬的優(yōu)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(shù)字控制變頻器將成為重要的研究方向,。
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