隨著電力電子技術(shù)的提高，以高性能微處理器為核心的數(shù)字化變頻調(diào)速系統(tǒng)，以其調(diào)速范圍寬、效率高、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在交流調(diào)速領(lǐng)域[1]。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為高速專用的微處理器，運(yùn)算功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)傳輸速度快，在數(shù)字控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其中，美國(guó)TI公司的高性能16位DSP –TMS320LF2407，是專門為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的，它內(nèi)部自帶了PWM輸出單元，易于編程實(shí)現(xiàn)三相空間互差120o的SPWM波形，特別適合三相電機(jī)的高性能控制[2]。它處理速度很快，并且片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)，極大地減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的元器件數(shù)量，提高了系統(tǒng)的控制精度。 1、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 　　基于DSP的數(shù)字控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。 　　主回路由三相整流電路、大電容濾波電路和PWM逆變電路構(gòu)成，PWM逆變電路使用了全控開(kāi)關(guān)器件IGBT，即絕緣柵型雙極晶體管。它集合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好，而且耐壓高、容量大，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，很適合在電機(jī)拖動(dòng)場(chǎng)合的逆變器電路上應(yīng)用。 　　控制電路由DSP芯片、驅(qū)動(dòng)電路和鍵盤顯示等外圍電路構(gòu)成。DSP芯片處理由鍵盤輸入的控制信號(hào)，一方面輸出到顯示部分顯示電機(jī)的運(yùn)行信息，另一方面輸出SPWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路，從而控制逆變電路中的6個(gè)IGBT的通斷，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。此外，DSP芯片還控制限流電阻R的切除。為避免大濾波電容在合上電源開(kāi)關(guān)通電瞬間產(chǎn)生過(guò)大的充電電流，設(shè)計(jì)中在整流器和濾波電容間的直流回路上串聯(lián)了限流電阻R，剛通電時(shí)，R接入電路，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，DSP芯片控制開(kāi)關(guān)S將R短路，以免變頻器正常工作時(shí)產(chǎn)生附加損耗。 　　檢測(cè)電路由電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)組成。電流和電壓均采用霍爾元件檢測(cè)，以滿足精度的要求。電流檢測(cè)有兩部分，一個(gè)是對(duì)定子電流檢測(cè)，另一個(gè)是對(duì)主電路電流檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到主電路電流過(guò)流時(shí)，就會(huì)立即給DSP發(fā)送信號(hào)，封鎖SPWM波形的輸出。對(duì)這兩類信號(hào)檢測(cè)，送入DSP芯片進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)，提高電機(jī)運(yùn)行性能。 2、 硬件設(shè)計(jì) 　　設(shè)計(jì)中硬件主要是以DSP為核心，除了利用了TMS320LF2407本身的一些功能模塊外，還在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，最終實(shí)現(xiàn)SPWM信號(hào)的產(chǎn)生、模擬量的采集、數(shù)據(jù)的輸入輸出等功能，構(gòu)成了完整的調(diào)速系統(tǒng)。 　　TMS320LF2407的指令執(zhí)行速度為30MIPS（指令周期只有33ns），它不僅片內(nèi)有豐富的存儲(chǔ)器資源，而且還有可擴(kuò)展的多達(dá)192K字空間的外部存儲(chǔ)器。它有兩個(gè)事件管理器模塊（EVA和EVB），可以用來(lái)控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級(jí)電機(jī)和逆變器。 它的片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)，極大地減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的元器件數(shù)量。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖中可以看到，設(shè)計(jì)中主要使用了它的A/D轉(zhuǎn)換模塊、EVB模塊、IO口和JTAG接口。 　　2407的帶內(nèi)置采樣/保持的10位A/D轉(zhuǎn)換器，其最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可以選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)中由于只對(duì)電壓、電流進(jìn)行了采樣，所以只用到了2個(gè)采樣通道，分別為ADCIN0和ADCIN1。 　　兩個(gè)事件管理器模塊EVA、EVB，每個(gè)都包括兩個(gè)l 6位通用定時(shí)器和8個(gè)16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。利用它們可以產(chǎn)生PWM的對(duì)稱和非對(duì)稱波形；在當(dāng)外部引腳/PDPINTx出現(xiàn)低電平時(shí)能快速關(guān)閉PWM通道；并可使用可編程的PWM死區(qū)控制來(lái)防止上、下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖。 設(shè)計(jì)中用到了EVB模塊的PWM7～PWM12管腳，輸出6路對(duì)稱的SPWM信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT的通斷。使用引腳/PDPINTB來(lái)檢測(cè)外部故障信號(hào)，以便在故障發(fā)生時(shí)能快速關(guān)閉PWM通道。 　　2407的數(shù)字輸入輸出模塊有高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入輸出引腳。這些引腳的功能可通過(guò)兩種控制寄存器來(lái)設(shè)置：I/O口復(fù)用控制寄存器（MCRx）和數(shù)據(jù)和方向控制寄存器（PxDATDIR）。設(shè)計(jì)中用到了IOPB0～I(xiàn)OPB5作為鍵盤的輸入，控制電機(jī)頻率的增、減和電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。每按頻率增加鍵一次，頻率增加1；按頻率減小鍵，頻率減小1，增減的幅度是由內(nèi)部編程設(shè)定的。另外還使用了IOPC1～I(xiàn)OPC3管腳與LCD液晶顯示模塊12232F進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用來(lái)顯示轉(zhuǎn)速信息及瞬時(shí)頻率。12232F內(nèi)置了漢字庫(kù)和ASCII字符集，可完成圖形顯示，也可顯示16＊16點(diǎn)陣的漢字。與外部CPU接口可采用并行或串行方式控制，本系統(tǒng)中為減少數(shù)據(jù)口的使用，同時(shí)與DSP更好地接口，采用了串行控制的方式。 　　JTAG接口可以克服TMS320LF2407結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作速度快、外部引腳多、封裝面積小、引腳排列密集等因素造成的不便，能夠極其方便地提供硬件系統(tǒng)的在線仿真和測(cè)試。 　　簡(jiǎn)而言之，硬件部分采用了測(cè)試集成的設(shè)計(jì)思想，以DSP為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)輸入輸出電路實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和顯示，配置相應(yīng)的傳感器模塊對(duì)電機(jī)的電壓、電流參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制和觀測(cè)。 3、 軟件設(shè)計(jì) 　　DSP程序的編寫可以用匯編語(yǔ)言，也可以使用C語(yǔ)言。一般來(lái)說(shuō)，采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)周期短，效率較高，并且移植性好，利于實(shí)現(xiàn)模塊化、組態(tài)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以設(shè)計(jì)中的程序也是用C語(yǔ)言編寫的[3]。主程序流程圖如圖2所示： 　　軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵部分是控制電路中6路SPWM信號(hào)的產(chǎn)生。要使用TMS320LF2407自身的PWM輸出口，編程實(shí)現(xiàn)三相空間互差120o的SPWM波形的輸出，可利用事件管理器模塊B中的通用定時(shí)器3及與之相關(guān)的比較單元來(lái)完成。每個(gè)通用定時(shí)器都有3個(gè)與之相關(guān)的比較器，每個(gè)比較單元都可設(shè)置為PWM模式，且它對(duì)應(yīng)會(huì)有兩個(gè)極性相反的PWM輸出。所以，用3個(gè)比較單元可以實(shí)現(xiàn)6路的PWM信號(hào)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。 　　程序設(shè)計(jì)方面，采用了在線計(jì)算占空比、用三角波作為載波的規(guī)則采樣法，得到一系列幅值相等但寬度不等的矩形波。 　 　　利用上述公式計(jì)算出占空比，然后與周期寄存器T3PR中的值相乘，再送往對(duì)應(yīng)的比較寄存器CMPR4～CMPR6，就會(huì)在對(duì)應(yīng)的管腳輸出對(duì)稱的SPW波。 　　調(diào)制方法分同步調(diào)制法和異步調(diào)制法[4]。但異步法的輸出波形對(duì)稱性差，脈沖相位和個(gè)數(shù)不固定；同步法在調(diào)制波的頻率很低時(shí)，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除，當(dāng)調(diào)制波頻率很高時(shí)，開(kāi)關(guān)元件又難以承受。所以，設(shè)計(jì)中采用了分段同步調(diào)制的方法來(lái)解決這一問(wèn)題。具體實(shí)現(xiàn)為：把調(diào)制波頻率分為幾個(gè)頻段，在各個(gè)頻段內(nèi)保持載波比N恒定，不同頻段的載波比N不同。選取原則為：輸出頻率高的頻段用低載波比，輸出頻率低的頻段用高載波比。同時(shí)，為了得到嚴(yán)格對(duì)稱的雙極性SPWM波形，載波比應(yīng)選3的整數(shù)倍且為奇數(shù)。設(shè)計(jì)中將頻段分為3段，小于15Hz為一段，載波比選153；15Hz～35Hz為一段，載波比選93；35Hz以上為一段，載波比選21。分段同步的方法雖然比較復(fù)雜，但控制的精度比較高，輸出波形的效果也比較好。 　　對(duì)于AD采樣部分，只需設(shè)置定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)采樣，然后將得到的值與設(shè)定的最大值進(jìn)行比較，檢測(cè)是否過(guò)流及過(guò)壓；對(duì)于與液晶顯示模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，因是串行，只需查表將對(duì)應(yīng)的字符碼按照12232F的傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸即可。此部分程序相對(duì)較易實(shí)現(xiàn)。 　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試出的SPWM波形如圖3、圖4所示： 　 4、 總結(jié) 　　該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速，輸出了具有良好特性的SPWM波形。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)的控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，易于廣泛使用于交流調(diào)速系統(tǒng)中。