電源技術應用  作者：盤宏斌 揭 嶼 徐龍祥

      摘 要：介紹了一種以TMS320F240數字信號處理器為的異步電機調速系統的數字控制器的硬件和軟件設計。介紹了該控制器的結構功能模塊和對稱空間電壓矢量產生的軟件流程，并對其中一些基本單元電路和技術進行了分析和討論，終給出了該控制器給電機空載實驗時所生成的SVPWM波形。
關鍵詞：；空間電壓矢量；數字信號處理器

0 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，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，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，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。

       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部分，也是數字控制器對信號的檢測、濾波、整形，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電氣特性的特點是采用了負邏輯，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別的二進制代碼，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別的符號顯示出來。鍵盤是計算機系統的主要輸入沒備，特別是在微處理器中，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。

      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吋間，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，更好地實現實吋性。設定頻率處理，就是判斷按鍵所給定的值，判別所設定的頻率誰是終的目標頻率。頻率顯示部分，就是把終目標頻率，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。

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。

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。

      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，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。