变频调速系统的数字控制器是如何工作的？

引言

变频调速系统的关键，就要设计一个合理的变频器，而它的核心就是变频调速系统的数字控制器。变频器的数字控制器包括信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能。

变频器数字控制系统的硬件部分，包括微处理器、接口电路及外围设备，其中微处理器是系统的控制核心，它通过内部控制程序，对从输入接口输入的数据进行处理，完成控制计算等工作，通过输出接口电路向外围发出各种控制信号，外围设备除了检测元件和执行机构，还包括各种操作、显示以及通信设备。

本文采用TI公司的TMS320F240自行设计了一款用于高速电机调速系统的数字控制器，频率可以通过键盘数字给定或者模拟给定，同时对它的功能和技术做了简要的分析，并给出了电机在18000r／min稳态运行时控制器的输出波形。

1 数字控制器的硬件结构和工作原理

数字控制器的硬件以TMS320F240定点DSP为CPU，CY7C199为外部数据和程序存储器，数据和程序存储器各32K；16路的模拟／数字输入通道，其中一路可以用来进行模拟频率给定；使用了8位数字I／O口，可以用键盘通过I／O口来进行数字频率给定；4路12位的数字／模拟转换通道，用于电机输出信号控制；RS232和SPI系列兼容接口，其中将SPI用作变频调速时电机频率的LED显示，将SCI口扩充成RS232接口。

电机或者逆变器的工作频率通过键盘给定，同时，其频率显示通过DSP内部的显示程序回显在LED上，当按下运行键以后，键盘设计频率被送到产生空间电压矢量的SVPWM处理子程序，生成的SVPWM波形通过GAL器件保护后输出，与此同时，电动机或者变频器的实时运行动态频率通过LED显示。正交编码脉冲可以接入电机的光电编码器，对系统构成速度环反馈，A／D模块可以接入电机的电流环，至于变频调速系统的保护中断源由DSP的引脚PDPINT提供，主要是过压、过流、控制电压欠压、过热等中断源。电机的速度或者逆变器的输出频率可以通过键盘改变。

2 硬件设计

数字信号处理器是数字控制器的核心部分，也是数字控制器对信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能的核心部分。数字控制器的功能模块设计如下。

2.l 数据和程序存储器的设计

DSP是一种高速存取器件，对于外围接口芯片有较高的要求，虽然DSP本身可以软件提供0~7个等待状态来满足与片外存取器件速度的匹配，但是为了不至于影响整个系统的控制和仿真功能，一般采用存取速度比较高的存储器来做为DSP的片外数据和程序存储器。本文采用CY7C199存储器，存取时间15ns，完全不用提供软件等待状态也不用加硬件等待电路，因为，CY7C199是32K的8位存储器，所以，使用了4片该存储器组成了32K的16位存储器RAM，数据和程序各32K。

2.2 DSP复位及时钟电路的设计

为了使系统被复位信号正确地初始化，对复位信号的脉冲宽度必须有一定的要求。对于TMS320F240而言，复位信号至少要lms。不过上电之后，系统的振荡器达到稳定工作状态需要20ms甚至更新的时间，一般来说上电复位时，在复位引脚上置100~200ms的一个低电平脉冲是比较合适的。根据这一原则，采用MAXIM公司的集成微处理器监控复位电路来完成，本文使用了MAX705。MAX705监控芯片，与传统的分立元器件组成的微机监控电路比较，它的可靠性高、动态响应好，功耗小、设计简单、体积小，在电子产品设计中已得到广泛的应用。

在设计中，时钟往往不被充分地重视，其实，时钟是电路设计中非常重要的一个环节。DSP时钟既可由外部提供，亦可由板上的振荡器来提供。由于DSP及其它芯片工作都是以时钟为基准的，如果时钟质量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。本文采用外部时钟输入，由有源晶振产生10MHz脉冲，通过覆铜和串接LC滤波电路来抑制外界干扰，保证了系统的稳定工作。

2.3 RS232的串行口电路设计

RS232是美国电子工业协会于1960年发布的串行通信接口标准，目前应用广泛的是RS232C和RS232D。 RS232C的标准连接为DB25．但在实际应用中采用非标准的DB9连接，实际应用中根据需要对定义的引脚进行取舍。RS232C电气特性最大的特点是采用了负逻辑，逻辑l的电平是一3V一一15V，逻辑0的电平是+3V~+15V，因此，在使用中有一个电平转换接口的问题。本文中采用自升压的集成芯片MAX232C来构成，只由+5V电源来供电，电平转换所需的±10V电源由片内电荷泵产生。在控制器做好以后，进行了计算机的串行通信接口（SCI）检验，数据通信收发正常，能够稳定工作。

2.4 D／A输出功能块的设计

在数字控制系统中，D／A和A／D电路是必不可少的，根据各种运用场合不同，系统对D／A、A／D的速度要求也不一样。本文中使用的是并行输入的D／A芯片DAC7625，它是12位数据并行输入，4路模拟输出的D/A转换器。其建立时间是10μs，功耗20mW，电源可以采用单电源+5V和双电源±5V供电，广泛应用于电机控制和数据采集等。数模转换器DAC的数据输入来自DSP的高12位，通过74LS

245送到DAC7625的数据端，采用单电源+5V供电，参考电压VHEFH使用精密稳压器件提供的+2.5V，VHEFL模拟地，其输出通过运算放大器TLCH2272进行放大，输出范围为0~+5V。

2.5 键盘输入接口电路和LED显示电路设计

键盘和七段LED显示器是微型计算机系统最常用的输入、输出没备。它是实现人机之间进行信息交换的主要通路。键盘的功能就是把人们要处理的数据、命令等转换成计算机识別的二进制代码，即计算机能识别的符号；七段LED显示器则是把计算机的运算结果、状态等代码转换成为人们能识別的符号显示出来。键盘是计算机系统的主要输入没备，特別是在微处理器中，键盘设汁成为必然。本文在设计时考虑到DSP处理速度的快速性，对于键盘去抖动环节，采用了硬件延时电路，具体电路如图2所示。

七段LED显示器有静态显示和动态显示两种连接方式。动态扫描方式节省硬件，常用的BCD七段译码驱动和动态扫描驱动电路有两种，如Intel 8279、Max 7219等，控制器中采用MAX7219芯片。DSP具有一个与外设打交道的串行接口SPl，这为串行接门显示提供了方便。MAX7219足一种串行的共阴极LED数字显示驱动器，内没多个控制和数据寄存器，其工作方式可通过编程灵活地设计，它是体积小、功能强大、使用灵活方便的串行接口。应用中需要注意的问题就是，MAX7219抗，EMI能力比较差， 相对而言用MAX7221比较可靠一点。另外一个问题是，说明书中虽然说寄存器可以使用任意数字，比如说数据格式中的高4位用的是XXXX来表示，但是，在实际应用中最好使用非零位，本文采用1111来表示，可以增加抗干扰能力。另外，在串行数据线和电源中必须加适量电容，以提高抗干扰能力，特别是电源尤其要注意，如果波动比较大的话，MAX7219比较容易损坏。

2.6 SVPWM脉冲输出模块的设计

空间电压矢量SVPWM脉冲输出是数字控制器中的关键部分，电机调速或者逆变器的频率就是由SVPWM波形来控制的。为了防止逆变器的上下桥臂直通，虽然在DSP内部编程可以加入死区吋间，但是用微处理器产生的SVPWM脉冲可能由于程序跑飞而造成控制混乱，为安全起见，采用GAL器件做了互锁保护电路，防止逆变器同一桥臂上下器件的直通，数字控制器中使用的是Lattice公司的GAL16V8。

3 软件设计

随着变频器产品的不断成熟，它的功能也不断丰富，可靠性也得到不断提高，从而导致了其程序编制的复杂度和难度。本文设计的变频调速系统是针对实验室无轴承高频电机用，主要完成了一些基本功能，比如频率的设定与显示，低速时转距补偿功能等，程序不是特别复杂，设计程序近2000行，廾对程序进行了测试，证明程序运行良好。本文变频调速系统中的整个程序主要由主程序、键盘程序、显示程序、PWM程序、故障保护中断程序等组成。

3.l 主程序和故障保护中断程序

主程序是整个程序的最主要部分，它完成了变频器的主要功能。程序初始化部分主要包括：I／O口的初始化，波形发生器的初始化，定时计数器的初始化，SPl的初始化，MAX7219的初始化等。读数到内部寄存器，就是把常用的数据读人到内部寄存器，缩短

DSP处理时间，更好地实现实吋性。设定频率处理，就是判断按键所给定的值，判别所设定的频率谁是最终的目标频率。频率显示部分，就是把最终目标频率，按常规以千位、百位、十位、个位通过LED显示出来。运行控制就是根据RUN键来决定是否启动电机运行。在硬件设计上，采用的是富士公司的第三代智能功率模块IPM，它的内部本身就集成厂过压、过流、过热、控制电压欠压、短路等的输出报警功能，通过光耦隔离后送入到DSP的外部中断源引脚PDPINT，完成相应的保护功能。

3.2 SVPWM中断子程序

PWM 中断子程序是整个控制器工作的关键程序，空间电压矢量调制的完成就是靠它来实现的。PWM发生程序主要完成如下的功能：电机运行时频率的动态显示，根据主程序中所给定的目标频率，可以得到角速度ω，ω经过积分运算可以得到usref的角度θ，然后计算usref在两相静止坐标系α，β轴上的投影usα及usβ，有了θ可以同时计算出参考电压矢量所在的扇区／N，根据已知量由公用值求取两相邻电压矢量的作用时间T1、T2和T0，然后给DSP内部的3个全比较寄存器CMPRx（x=1，2，3）进行赋值，产生相应的5VPWM波形。

4 实验结果

根据前面介绍的系统硬件电路和软件控制算法，对制作的原理样机进行了实验研究。实验测试了异步电动机空载稳态运行情况，以此来检测原理样机的可行性，对实验结果进行了波形记录，300 Hz稳态运行时其PWM控制波形和测得的异步电机实测线电压波形。

实验用高频电机的参数如下：

额定电压Un=220V，额定电流In=1.5A，额定频率f=400Hz，异步电机的极对数=1，额定功率Pe=800W，额定空载电流0.75A。

5 结语

以TMS320F240数字信号处理器为核心构成的数字控制器是一个信号处理系统，该系统可以完成信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能，相对于一般的单片机构成的系统，它的处理速度快、实时性能比较好，也易于选择和配合，同时集测量、监控、保护于一身，可与上位机通信，具有很高的使用价值。
责任编辑：tzh