DSP在异步电机数字化变频调速系统中的应用
摘要：以TI公司的TMS320LF2407为核心，设计了交流变频调速系统，实现了变压、变频调速。详细介绍了系统硬件结构及软件设计中SPWM的产生方法，实验结果表明系统运行性能良好。
关键字：变频调速；SPWM；数字信号处理器（DSP）
随着电力电子技术的提高，以高性能微处理器为核心的数字化变频调速系统，以其调速范围宽、效率高、动态性能好等特点，越来越广泛地应用在交流调速领域[1]。数字信号处理器（DSP）作为高速专用的微处理器，运算功能强大，数据传输速度快，在数字控制领域应用广泛。其中，美国TI公司的高性能16位DSP –TMS320LF2407，是专门为电机控制设计的，它内部自带了PWM输出单元，易于编程实现三相空间互差120o的SPWM波形，特别适合三相电机的高性能控制[2]。它处理速度很快，并且片内集成了丰富的外设，极大地减少了系统设计的元器件数量，提高了系统的控制精度。
1、 系统总体设计
基于DSP的数字控制变频调速系统的原理框图如图1所示。
图1 数字控制变频调速系统的原理框图
主回路由三相整流电路、大电容滤波电路和PWM逆变电路构成，PWM逆变电路使用了全控开关器件IGBT，即绝缘栅型双极晶体管。它集合了MOSFET和GTR的优点，输入阻抗高、速度快、热稳定性好，而且耐压高、容量大，驱动电路简单，很适合在电机拖动场合的逆变器电路上应用。
控制电路由DSP芯片、驱动电路和键盘显示等外围电路构成。DSP芯片处理由键盘输入的控制信号，一方面输出到显示部分显示电机的运行信息，另一方面输出SPWM信号到驱动电路，从而控制逆变电路中的6个IGBT的通断，达到控制电机转速的目的。此外，DSP芯片还控制限流电阻R的切除。为避免大滤波电容在合上电源开关通电瞬间产生过大的充电电流，设计中在整流器和滤波电容间的直流回路上串联了限流电阻R，刚通电时，R接入电路，经过一定时间，DSP芯片控制开关S将R短路，以免变频器正常工作时产生附加损耗。
检测电路由电流检测和电压检测组成。电流和电压均采用霍尔元件检测，以满足精度的要求。电流检测有两部分，一个是对定子电流检测，另一个是对主电路电流检测，当检测到主电路电流过流时，就会立即给DSP发送信号，封锁SPWM波形的输出。对这两类信号检测，送入DSP芯片进行处理，可以实现电机的过流和过压保护，提高电机运行性能。
2、 硬件设计
设计中硬件主要是以DSP为核心，除了利用了TMS320LF2407本身的一些功能模块外，还在此基础上进行了扩展，最终实现SPWM信号的产生、模拟量的采集、数据的输入输出等功能，构成了完整的调速系统。
TMS320LF2407的指令执行速度为30MIPS（指令周期只有33ns），它不仅片内有丰富的存储器资源，而且还有可扩展的多达192K字空间的外部存储器。它有两个事件管理器模块（EVA和EVB），可以用来控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。 它的片内集成了丰富的外设，极大地减少了系统设计的元器件数量。从系统的结构图中可以看到，设计中主要使用了它的A/D转换模块、EVB模块、IO口和JTAG接口。
2407的带内置采样/保持的10位A/D转换器，其最小转换时间为500ns，可以选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。设计中由于只对电压、电流进行了采样，所以只用到了2个采样通道，分别为ADCIN0和ADCIN1。
两个事件管理器模块EVA、EVB，每个都包括两个l 6位通用定时器和8个16位的脉宽调制（PWM）通道。利用它们可以产生PWM的对称和非对称波形；在当外部引脚/PDPINTx出现低电平时能快速关闭PWM通道；并可使用可编程的PWM死区控制来防止上、下桥臂同时输出触发脉冲。 设计中用到了EVB模块的PWM7～PWM12管脚，输出6路对称的SPWM信号，通过驱动电路控制IGBT的通断。使用引脚/PDPINTB来检测外部故障信号，以便在故障发生时能快速关闭PWM通道。
2407的数字输入输出模块有高达40个可单独编程或复用的通用输入输出引脚。这些引脚的功能可通过两种控制寄存器来设置：I/O口复用控制寄存器（MCRx）和数据和方向控制寄存器（PxDATDIR）。设计中用到了IOPB0～IOPB5作为键盘的输入，控制电机频率的增、减和电机的正反转。每按频率增加键一次，频率增加1；按频率减小键，频率减小1，增减的幅度是由内部编程设定的。另外还使用了IOPC1～IOPC3管脚与LCD液晶显示模块12232F进行数据传输，用来显示转速信息及瞬时频率。12232F内置了汉字库和ASCII字符集，可完成图形显示，也可显示16*16点阵的汉字。与外部CPU接口可采用并行或串行方式控制，本系统中为减少数据口的使用，同时与DSP更好地接口，采用了串行控制的方式。
JTAG接口可以克服TMS320LF2407结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、引脚排列密集等因素造成的不便，能够极其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试。
简而言之，硬件部分采用了测试集成的设计思想，以DSP为基础，设计输入输出电路实现参数的设置和显示，配置相应的传感器模块对电机的电压、电流参数进行测量，实现了对电机运动状态的控制和观测。
3、 软件设计
DSP程序的编写可以用汇编语言，也可以使用C语言。一般来说，采用C语言设计的开发周期短，效率较高，并且移植性好，利于实现模块化、组态化的设计目标，所以设计中的程序也是用C语言编写的[3]。主程序流程图如图2所示：
软件设计的一个关键部分是控制电路中6路SPWM信号的产生。要使用TMS320LF2407自身的PWM输出口，编程实现三相空间互差120o的SPWM波形的输出，可利用事件管理器模块B中的通用定时器3及与之相关的比较单元来完成。每个通用定时器都有3个与之相关的比较器，每个比较单元都可设置为PWM模式，且它对应会有两个极性相反的PWM输出。所以，用3个比较单元可以实现6路的PWM信号，满足系统设计的需求。
程序设计方面，采用了在线计算占空比、用三角波作为载波的规则采样法，得到一系列幅值相等但宽度不等的矩形波。
利用上述公式计算出占空比，然后与周期寄存器T3PR中的值相乘，再送往对应的比较寄存器CMPR4～CMPR6，就会在对应的管脚输出对称的SPWM波。
调制方法分同步调制法和异步调制法[4]。但异步法的输出波形对称性差，脉冲相位和个数不固定；同步法在调制波的频率很低时，由调制带来的谐波不易滤除，当调制波频率很高时，开关元件又难以承受。所以，设计中采用了分段同步调制的方法来解决这一问题。具体实现为：把调制波频率分为几个频段，在各个频段内保持载波比N恒定，不同频段的载波比N不同。选取原则为：输出频率高的频段用低载波比，输出频率低的频段用高载波比。同时，为了得到严格对称的双极性SPWM波形，载波比应选3的整数倍且为奇数。设计中将频段分为3段，小于15Hz为一段，载波比选153；15Hz～35Hz为一段，载波比选93；35Hz以上为一段，载波比选21。分段同步的方法虽然比较复杂，但控制的精度比较高，输出波形的效果也比较好。
对于AD采样部分，只需设置定时器进行定时采样，然后将得到的值与设定的最大值进行比较，检测是否过流及过压；对于与液晶显示模块间的数据传输，因是串行，只需查表将对应的字符码按照12232F的传输协议进行数据传输即可。此部分程序相对较易实现。
实验测试出的SPWM波形如图3、图4所示：
图3 相差120度的两相脉冲波形
图4 波形互补的上下桥臂SPWM波形
4、 总结
该系统实现了异步电机的变压变频调速，输出了具有良好特性的SPWM波形。由实验结果可以看出，该系统的控制精度高、动态响应快，系统整体结构简单，稳定性好，易于广泛使用于交流调速系统中。
关键字：变频调速；SPWM；数字信号处理器（DSP）
随着电力电子技术的提高，以高性能微处理器为核心的数字化变频调速系统，以其调速范围宽、效率高、动态性能好等特点，越来越广泛地应用在交流调速领域[1]。数字信号处理器（DSP）作为高速专用的微处理器，运算功能强大，数据传输速度快，在数字控制领域应用广泛。其中，美国TI公司的高性能16位DSP –TMS320LF2407，是专门为电机控制设计的，它内部自带了PWM输出单元，易于编程实现三相空间互差120o的SPWM波形，特别适合三相电机的高性能控制[2]。它处理速度很快，并且片内集成了丰富的外设，极大地减少了系统设计的元器件数量，提高了系统的控制精度。
1、 系统总体设计
基于DSP的数字控制变频调速系统的原理框图如图1所示。
图1 数字控制变频调速系统的原理框图
主回路由三相整流电路、大电容滤波电路和PWM逆变电路构成，PWM逆变电路使用了全控开关器件IGBT，即绝缘栅型双极晶体管。它集合了MOSFET和GTR的优点，输入阻抗高、速度快、热稳定性好，而且耐压高、容量大，驱动电路简单，很适合在电机拖动场合的逆变器电路上应用。
控制电路由DSP芯片、驱动电路和键盘显示等外围电路构成。DSP芯片处理由键盘输入的控制信号，一方面输出到显示部分显示电机的运行信息，另一方面输出SPWM信号到驱动电路，从而控制逆变电路中的6个IGBT的通断，达到控制电机转速的目的。此外，DSP芯片还控制限流电阻R的切除。为避免大滤波电容在合上电源开关通电瞬间产生过大的充电电流，设计中在整流器和滤波电容间的直流回路上串联了限流电阻R，刚通电时，R接入电路，经过一定时间，DSP芯片控制开关S将R短路，以免变频器正常工作时产生附加损耗。
检测电路由电流检测和电压检测组成。电流和电压均采用霍尔元件检测，以满足精度的要求。电流检测有两部分，一个是对定子电流检测，另一个是对主电路电流检测，当检测到主电路电流过流时，就会立即给DSP发送信号，封锁SPWM波形的输出。对这两类信号检测，送入DSP芯片进行处理，可以实现电机的过流和过压保护，提高电机运行性能。
2、 硬件设计
设计中硬件主要是以DSP为核心，除了利用了TMS320LF2407本身的一些功能模块外，还在此基础上进行了扩展，最终实现SPWM信号的产生、模拟量的采集、数据的输入输出等功能，构成了完整的调速系统。
TMS320LF2407的指令执行速度为30MIPS（指令周期只有33ns），它不仅片内有丰富的存储器资源，而且还有可扩展的多达192K字空间的外部存储器。它有两个事件管理器模块（EVA和EVB），可以用来控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。 它的片内集成了丰富的外设，极大地减少了系统设计的元器件数量。从系统的结构图中可以看到，设计中主要使用了它的A/D转换模块、EVB模块、IO口和JTAG接口。
2407的带内置采样/保持的10位A/D转换器，其最小转换时间为500ns，可以选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。设计中由于只对电压、电流进行了采样，所以只用到了2个采样通道，分别为ADCIN0和ADCIN1。
两个事件管理器模块EVA、EVB，每个都包括两个l 6位通用定时器和8个16位的脉宽调制（PWM）通道。利用它们可以产生PWM的对称和非对称波形；在当外部引脚/PDPINTx出现低电平时能快速关闭PWM通道；并可使用可编程的PWM死区控制来防止上、下桥臂同时输出触发脉冲。 设计中用到了EVB模块的PWM7～PWM12管脚，输出6路对称的SPWM信号，通过驱动电路控制IGBT的通断。使用引脚/PDPINTB来检测外部故障信号，以便在故障发生时能快速关闭PWM通道。
2407的数字输入输出模块有高达40个可单独编程或复用的通用输入输出引脚。这些引脚的功能可通过两种控制寄存器来设置：I/O口复用控制寄存器（MCRx）和数据和方向控制寄存器（PxDATDIR）。设计中用到了IOPB0～IOPB5作为键盘的输入，控制电机频率的增、减和电机的正反转。每按频率增加键一次，频率增加1；按频率减小键，频率减小1，增减的幅度是由内部编程设定的。另外还使用了IOPC1～IOPC3管脚与LCD液晶显示模块12232F进行数据传输，用来显示转速信息及瞬时频率。12232F内置了汉字库和ASCII字符集，可完成图形显示，也可显示16*16点阵的汉字。与外部CPU接口可采用并行或串行方式控制，本系统中为减少数据口的使用，同时与DSP更好地接口，采用了串行控制的方式。
JTAG接口可以克服TMS320LF2407结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、引脚排列密集等因素造成的不便，能够极其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试。
简而言之，硬件部分采用了测试集成的设计思想，以DSP为基础，设计输入输出电路实现参数的设置和显示，配置相应的传感器模块对电机的电压、电流参数进行测量，实现了对电机运动状态的控制和观测。
3、 软件设计
DSP程序的编写可以用汇编语言，也可以使用C语言。一般来说，采用C语言设计的开发周期短，效率较高，并且移植性好，利于实现模块化、组态化的设计目标，所以设计中的程序也是用C语言编写的[3]。主程序流程图如图2所示：
软件设计的一个关键部分是控制电路中6路SPWM信号的产生。要使用TMS320LF2407自身的PWM输出口，编程实现三相空间互差120o的SPWM波形的输出，可利用事件管理器模块B中的通用定时器3及与之相关的比较单元来完成。每个通用定时器都有3个与之相关的比较器，每个比较单元都可设置为PWM模式，且它对应会有两个极性相反的PWM输出。所以，用3个比较单元可以实现6路的PWM信号，满足系统设计的需求。
程序设计方面，采用了在线计算占空比、用三角波作为载波的规则采样法，得到一系列幅值相等但宽度不等的矩形波。
利用上述公式计算出占空比，然后与周期寄存器T3PR中的值相乘，再送往对应的比较寄存器CMPR4～CMPR6，就会在对应的管脚输出对称的SPWM波。
调制方法分同步调制法和异步调制法[4]。但异步法的输出波形对称性差，脉冲相位和个数不固定；同步法在调制波的频率很低时，由调制带来的谐波不易滤除，当调制波频率很高时，开关元件又难以承受。所以，设计中采用了分段同步调制的方法来解决这一问题。具体实现为：把调制波频率分为几个频段，在各个频段内保持载波比N恒定，不同频段的载波比N不同。选取原则为：输出频率高的频段用低载波比，输出频率低的频段用高载波比。同时，为了得到严格对称的双极性SPWM波形，载波比应选3的整数倍且为奇数。设计中将频段分为3段，小于15Hz为一段，载波比选153；15Hz～35Hz为一段，载波比选93；35Hz以上为一段，载波比选21。分段同步的方法虽然比较复杂，但控制的精度比较高，输出波形的效果也比较好。
对于AD采样部分，只需设置定时器进行定时采样，然后将得到的值与设定的最大值进行比较，检测是否过流及过压；对于与液晶显示模块间的数据传输，因是串行，只需查表将对应的字符码按照12232F的传输协议进行数据传输即可。此部分程序相对较易实现。
实验测试出的SPWM波形如图3、图4所示：
图3 相差120度的两相脉冲波形
图4 波形互补的上下桥臂SPWM波形
4、 总结
该系统实现了异步电机的变压变频调速，输出了具有良好特性的SPWM波形。由实验结果可以看出，该系统的控制精度高、动态响应快，系统整体结构简单，稳定性好，易于广泛使用于交流调速系统中。
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