基于TMS320F2812的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘  要：本文在分析電壓空間矢量調(diào)制基本原理的基礎(chǔ)上，組成了以TMS320F2812為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)SVPWM,對交流電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。
關(guān)鍵詞：TMS320F2812; 電壓空間矢量調(diào)制；交流變頻調(diào)速

    目前已有多種PWM 控制方式應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng),其中空間矢量PWM(SVPWM)以其特有的優(yōu)越性能,在電機(jī)調(diào)速方面得到廣泛應(yīng)用。該種方法控制簡單,數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便，可顯著減小逆變器輸出電流諧波成分及電機(jī)諧波損耗,降低脈動轉(zhuǎn)矩,提高電壓利用率。

    本文主要介紹利用TMS320F2812(以下簡稱F2812)實(shí)現(xiàn)對變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)時控制。

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 控制板邏輯框圖

TMS320F2812主要特點(diǎn)
    F2812運(yùn)算速度快,工作時鐘頻率達(dá)150MHz，指令周期可以達(dá)到6.67ns 以內(nèi)，低功耗(核心電壓1.8V，I/O口電壓3.3V)。

     采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的操作能力、迅速的中斷響應(yīng)和處理以及統(tǒng)一的寄存器編程模式?？梢詫?shí)現(xiàn)16×16位和32×32位乘累加操作和16×16位的兩個乘累加操作。

    片內(nèi)存儲器包括8K×16位的Flash存儲器，1K×16位的OTP型只讀存儲器，兩塊4K×16位的單口隨機(jī)存儲器，一塊8K×16位的單口隨機(jī)存儲器，兩塊1K×16位的單口隨機(jī)存儲器。外部存儲器接口可實(shí)現(xiàn)多達(dá)1M存儲器的擴(kuò)展。
外部擴(kuò)展模塊(PIE)可支持96個外部中斷，45個可用。

    兩個增強(qiáng)的事件管理器模塊(EVA、EVB)，提供了一整套用于運(yùn)動控制和電機(jī)控制應(yīng)用的功能和特性。每個事件管理模塊包括通用定時器(GP)、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。

    外圍設(shè)備包括3個32位的CPU定時器，16通道12位ADC(單個轉(zhuǎn)換時間為200ns，單路轉(zhuǎn)換時間為60ns)，它不僅具有串行外圍接口(SPI)和兩個串行通信接口(SCI)，還有改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)(eCAN)、多通道緩沖串行接口(McBSP)和串行外圍接口模式。
　　
變頻器空間電壓矢量控制的基本原理
    變頻器的主電路通常是AC-DC-AC電力電子變換電路，DC-AC部分為三相橋逆變系統(tǒng)，確定其開關(guān)信號的控制策略往往決定了變頻器性能的高低。　

    分析變頻器三相逆變橋的開關(guān)狀態(tài)(逆變橋上橋臂開通表示為1，相應(yīng)的下橋臂關(guān)斷)：(000)、(001)、(010)、(100)、(101)、(110)、(111)，可表示為8個基本空間電壓矢量：V1V2V3V4V5V6V7,其中V0V7為零矢量，其余為有效工作矢量?？臻g矢量PWM控制就是通過分配電壓空間矢量，尤其是零矢量的作用時間，最終形成等幅不等寬的PWM脈沖波，實(shí)現(xiàn)追蹤磁通的圓形軌跡。若復(fù)平面上參考等效合成空間矢量V的模長等于相電壓的峰值，以角頻率按逆時針方向勻速旋轉(zhuǎn)，那么其在三相軸上的投影就是對稱的正弦量。反過來，按照平行四邊形法則，利用這8個基本矢量可以合成任意角度和模長的等效合成矢量Vr。如果勻速發(fā)出在一個圓周里均勻分布的等效合成矢量,也就得到了三相正弦量的開關(guān)信號,這就是空間電壓矢量調(diào)制。一個周期里發(fā)出的合成矢量越多,說明采樣頻率越高。
  
基于TMS320F2812的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由主電路、控制電路、驅(qū)動電路和輔助電路組成。
主電路為交直交變頻電路，逆變器采用日本富士公司R系列7MBP100RA060型智能電力模塊(IPM)，它是一種包括制動單元在內(nèi)的完整的逆變器，其中包括7個IGBT和7個快速功率二極管。6個IGBT與6個回饋二極管并聯(lián)組成三相橋臂，1個IGBT是動力制動用的開關(guān)管。還集成了各種IGBT 的驅(qū)動電路以及異常情況的檢測單元,如短路檢測、過流檢測、欠壓檢測、過溫檢測等。當(dāng)上述的任一異常信號被檢測到時,IPM模塊的F0 信號可以通過光耦隔離后送到DSP 的功率驅(qū)動保護(hù)引腳(PDPINT) ,以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)。

　　控制電路由F2812控制板以及鍵盤和外部控制端子組成。外部控制端子通過RS-485 接口與F2812通信,完成多種管理功能,如初始參數(shù)的設(shè)定,電流、頻率狀態(tài)的顯示等。

　　 變頻主體部分以F2812芯片為核心,完成電壓空間矢量控制核心算法、產(chǎn)生PWM波形、進(jìn)行相關(guān)電壓/電流的檢測處理。F2812的事件管理模塊中具有生成SVPWM 的硬件電路，如圖2所示。

    從硬件結(jié)構(gòu)可以看出，PWM生成由特定的寄存器分別進(jìn)行控制：ACTR (12～15)中是當(dāng)前的主矢量，根據(jù)Vr的位置查轉(zhuǎn)換模式表,寫入相應(yīng)的值;TICON(11~13)控制生成對稱或不對稱的PWM 波形;死區(qū)時間設(shè)置由DBTCON完成；COMCON(9)控制PWM輸出或高阻態(tài)輸出，可在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時保護(hù)。3個比較寄存器CMXP1~3 分別對應(yīng)何時開通U、V、W 三相,其值的大小由主輔矢量和零矢量的作用時間決定,當(dāng)定時器的記數(shù)值等于CMXP13 的值時，就會改變空間矢量對應(yīng)的控制信號的輸出。

    驅(qū)動電路主要是使控制輸入信號通過光耦傳送,設(shè)計(jì)時可選用TLP759、TLP559 等型號的光電耦合器,并使光耦與IPM 控制端子間的布線最短,布線阻抗最小。

    用磁平衡式霍爾傳感器(CT1、CT2) 檢測輸出的兩相電流iA 、iB，采用F2812自帶的A/ D 轉(zhuǎn)換器,對A、B 兩相定子電流進(jìn)行采樣,從而獲得實(shí)時的定子電流信息。

    速度反饋信號檢測采用增量式光電編碼器作為速度檢測器件,它可以輸出兩個相位相差90°的方波脈沖信號,經(jīng)施密特電路整形后,兩路脈沖信號經(jīng)光耦送入F2812的正交編碼脈沖單元(QEP),由內(nèi)部4 倍頻后,通過通用定時器T3對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),利用T/M法得到速度反饋值。
　　
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)程序包括主程序、SVPWM中斷子程序和顯示子程序。主程序首先完成初始化工作，其中包括設(shè)置比較寄存器COMCON、全比較動作控制寄存器ACTR、死區(qū)控制寄存器DBTCON、通用定時器1 的控制寄存器T1CON，并根據(jù)調(diào)制周期(頻率) TS 設(shè)置通用定時器1 的定時周期寄存器TIPR。中斷子程序根據(jù)給定的頻率和電壓值Vr 計(jì)算出T1、T2的值并設(shè)置到全比較寄存器CMPR1-3，為下個調(diào)制周期做準(zhǔn)備。

結(jié)語
    本文介紹了以TMS320F2812為控制核心的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，充分利用了TMS320F2812的高速運(yùn)算性能,更好地實(shí)現(xiàn)了電壓空間矢量調(diào)速系統(tǒng)所需的快速性和適時性,大大簡化了硬件電路。