ADMC328 DSP控制器在交流異步機變頻調(diào)速中的應用

ADMC328芯片是美國模擬器件公司(簡稱ADI)最新推出的ADMC3XX系列單片DSP電機控制器中最簡單的一種[1]，它可用于交流感應電動機、永磁同步電動機和無刷直流電動機的高性能控制，在冰箱、空調(diào)和洗衣機等家用電器及風機、泵或一般工業(yè)變速傳動控制中，以其結(jié)構(gòu)緊湊、使用便捷、可靠性高、功能強、成本低等優(yōu)勢贏得廣大用戶的關(guān)注。

　　ADMC328僅有28個引腳，其內(nèi)部除有一個與ADSP-2100系列兼容的20MIPS定點DSP的ADSP-2171內(nèi)核外，還包括了512×24位的程序存儲器RAM，4K×24位的程序存儲器ROM，512×16位的數(shù)據(jù)存儲器RAM，三相6路輸出的16位精度的PWM發(fā)生器，6路最高轉(zhuǎn)換精度可達12位的模擬輸入通道，2路可用于數(shù)模轉(zhuǎn)換的輔助PWM輸出，1個雙緩沖串行端口，9位可編程多功能復用的輸入/輸出PIO端口，16個中斷源以及上電復位電路和16位監(jiān)視定時器等。這為用戶對變頻器控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計帶來了很大方便[1][2]。

　　因ADMC328是ADI公司最新推出的產(chǎn)品，迄今為止國內(nèi)尚未見到關(guān)于用其實現(xiàn)變頻調(diào)速的報道。我們注意到該芯片的特點，對其進行了應用研究和開發(fā)。在北京市英賽爾器件集團的支持下，我們利用ADI的ADMC32X評估板，設計了異步機通用變頻器的接口電路和主電路，進行了帶標準鼠籠式異步機的調(diào)速試驗，取得了較好的控制效果。實驗結(jié)果表明，ADMC328 DSP電機控制器在調(diào)節(jié)性能、運算處理能力、可靠性及使用的方便程度等方面都具有良好的特性，不失為電機變速控制的理想解決方案。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)

　　用ADI公司開發(fā)的ADMC32X

　　評估板并設計配置了相應的外圍電路、主電路及驅(qū)動保護電路，構(gòu)成了異步機U/f比開環(huán)速度控制系統(tǒng)，電路原理圖見圖1。

ADMC32X評估板(如圖1虛線框內(nèi)所示)可將ADMC328的全部功能向用戶開放，此外，該板內(nèi)部還提供了復位、晶振、串行ROM和計算機通訊接口(為突出重點，評估板上其他一些相關(guān)電路未在圖中給出)，用戶可利用這些資源進行先期開發(fā)。

　　主電路為標準的電壓型PWM變頻器，用IGBT功率器件構(gòu)成逆變器，將PWM開關(guān)頻率設置在20kHz。利用適當阻值的取樣電阻R檢測直流母線電流，當逆變器發(fā)生過流或短路時，ADMC328的ISENSE端會因檢測到的電流過大而產(chǎn)生過流保護信號，并關(guān)閉逆變器，實現(xiàn)對變頻器的保護。通過分壓電阻檢測直流母線電壓，該測量值由ADMC328的模擬輸入端口V1讀入，以實現(xiàn)測量、調(diào)節(jié)或控制功能。IGBT的驅(qū)動、保護(未在圖中畫出)宜選用EXB841或TLP250等光電隔離型器件，IGBT驅(qū)動電路檢測到的過流和短路保護信號由ADMC328的PWMTRIP端監(jiān)測，一旦過流或短路發(fā)生，ADMC328的內(nèi)部中斷立即關(guān)閉逆變器輸出。整個主電路與控制電路的公共端僅在一點連接，這樣可有效地抑制外部干擾。當變頻器容量較大時，最好將取樣電阻換成霍爾元件，實現(xiàn)主電路與控制電路的電隔離。

　　在ADMC32X評估板上外接的發(fā)光二極管(LED)顯示電路由串行LED驅(qū)動器件和8位數(shù)碼管組成，可分別顯示變頻器的設定頻率、輸出頻率、輸出電壓或輸出電流(通過取樣電阻R間接得到)等參量。電位器W1的模擬量由模擬輸入端口V2讀入，作為變頻器輸出頻率的設定值。因ADMC328的開關(guān)量I/O端口有限，硬件設計時可用有關(guān)器件擴展I/O端口或利用其不用的3位模擬輸入端口(分別為VAUX0~VAUX2)作為開關(guān)量檢測端。本電路采用第二種方案，K1~K33個開關(guān)和按鍵分別用來實現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的起/?？刂啤㈦姍C的正/反轉(zhuǎn)設置以及選擇LED顯示內(nèi)容等功能。與I/O端口復用的輔助PWM的AUX0輸出端可用于產(chǎn)生制動等開關(guān)控制信號，或者在AUX0端加濾波器后作為模擬量輸出，用來實現(xiàn)模擬量指示或調(diào)節(jié)。用計算機進行編程和調(diào)試，當完成應用程序的開發(fā)后，可將程序?qū)懭朐u估板上的串行ROM，系統(tǒng)即可脫機單獨運行。[!--empirenews.page--]

　　由圖1可見，該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)已具有通用SPWM(正弦脈寬調(diào)制)變頻器的主要功能，而其控制電路結(jié)構(gòu)卻大為簡化。

2 應用程序

　　為便于用戶使用ADMC328 DSP芯片，ADI公司在其開發(fā)軟件中提供了相當一部分庫函數(shù)及若干應用實例。一方面，用戶通過這些庫函數(shù)和實例可很快熟悉該軟件開發(fā)環(huán)境;另一方面，用戶在編制自己的監(jiān)控程序時可以直接利用它們。這的確給用戶的開發(fā)帶來了便利。此外，ADSP-2171內(nèi)核極快的判斷和運算速度及處理能力，以及各功能寄存器的方便設置，都使用戶的編程相對容易。

　　在486及以上檔次的計算機以及DOS和Windows 95操作系統(tǒng)的支持下，利用ADI提供的C語言或匯編語言開發(fā)工具軟件，即可對用戶文件進行編譯、連接或調(diào)試。

在完成如圖1所示硬件電路的基礎(chǔ)上，編制了U/f比控制的通用變頻器的監(jiān)控程序，主程序和PWMSYNC中斷服務程序分別見圖2的(a)和(b)。

3 應用考慮

　　·為方便用戶使用ADMC328 DSP芯片，ADI公司提供了相應的開發(fā)工具——評估板(仿真器)，其中的CPU為更高一檔次的ADMC331芯片。在該評估板上，ADMC331不僅可全功能仿真ADMC328，且其不少引腳均已引出，用戶可利用這些引腳構(gòu)成輔助電路，豐富控制功能[4]。

　　·與其他A/D轉(zhuǎn)換電路不同的是，在ADMC328內(nèi)部，ADC單元的操作是與PWM單元相連的[2]，A/D轉(zhuǎn)換的有效分辨率是PWM開關(guān)頻率的函數(shù)，故該A/D轉(zhuǎn)換的分辨率不是一個常數(shù)，而在9～12位間變化。還需說明的是，在6個模擬輸入通道中，只有3個通道是獨立的，而其他3個通道通過多路開關(guān)共用一個比較器，所以這就只允許同時最多有4路模擬量被采集。應當注意的是，芯片內(nèi)與模擬輸入信號比較用的鋸齒波斜率是通過外配電容(接于ICONST端與GND端之間)來調(diào)節(jié)的，根據(jù)不同的PWM開關(guān)頻率，選擇不同的外配電容值，該電容應為高精度和高穩(wěn)定的。最后還應強調(diào)，A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍是0.3～3.5V，而不是通常情況下的0~5V或0~10V，在模擬輸入接口電路設計時應引起注意。

　　· PWM發(fā)生單元有兩種工作模式:單更新模式和雙更新模式。在單更新模式下PWM輸出脈沖以PWM周期的中心對稱;在雙更新模式下，按照某種控制規(guī)則，輸出PWM脈沖的前后沿與PWM周期中心不對稱，這種不對稱的PWM輸出，更能減少三相PWM逆變器的諧波失真和獲得更寬的系統(tǒng)閉環(huán)控制帶寬。建議在使用時，優(yōu)先選用雙更新工作模式。

　　· ADMC328內(nèi)含兩個輸出頻率和占空比均可變的8位精度的輔助PWM定時器，其兩個輸出引腳分別定義為AUX0和AUX1，可用來為被控的開關(guān)變換器提供開關(guān)信號;通過合適的濾波網(wǎng)絡亦可作為數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸出，典型應用見圖3，在此參數(shù)下，兩級濾波器的截止頻率為1.2kHz，模擬輸出電壓Vo的幅度范圍為0～5V。

·ADMC328的復用PIO端口僅有9位，且已被串口1和串行ROM占去5位，必要時可通過選用I2C或SPI等串行接口芯片或多路數(shù)據(jù)選擇器件擴展I/O端口和其他功能。[!--empirenews.page--]

　　·在變頻器裝置容量允許的條件下，逆變器功率器件最好使用IGBT等高頻全控型器件，這樣可將逆變器開關(guān)調(diào)制頻率設定在16kHz以上，避免變頻器本身產(chǎn)生的高頻噪聲，也更利于輸出電流正弦化。

4 實驗結(jié)果

　　將ADMC32X評估板與檢測和控制等接口電路以及IGBT電壓型PWM變頻器連接(見圖1)，電機選用1.1kW普通鼠籠異步機，以渦流閘和摩擦負荷為負載。分別按圖4中的a和b設定壓頻比曲線，監(jiān)控程序中可修改起始點A的值。調(diào)節(jié)W1可使變頻器輸出基頻在0.5～60Hz范圍內(nèi)變化(重新設定控制參數(shù)，可使變頻器輸出基頻范圍變?yōu)?.5～400Hz)，電機的轉(zhuǎn)速相應被改變。在電機較高轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)負荷大小，電機均能平穩(wěn)運行。變頻器輸出基頻為10Hz和50Hz時，電機線電流波形分別見圖5(a)和(b)。

因PWM開關(guān)頻率較高且載波比不為定值，輸出電壓和基頻很難測量。實驗中分別用輔助PWM模擬輸出和LED指示輸出電壓和輸出頻率。在電機變頻或變負荷時，實驗結(jié)果均較好地符合圖4所示的壓頻比特性。通過功能開關(guān)，可以方便地選擇電機的正反轉(zhuǎn)。此外，在監(jiān)控程序中設置了多種軟起動和軟停車控制曲線，起動或停車時間可根據(jù)需要任意設定;在程序中還編入了多檔轉(zhuǎn)速控制或程序控制功能，使電機的轉(zhuǎn)速能根據(jù)設定值自動改變。實驗中均得到了很好的驗證。人為設置的起動、變速和停車的轉(zhuǎn)速模擬曲線見圖6。

實驗結(jié)果表明，ADMC328 DSP芯片具有優(yōu)異的控制性能，調(diào)節(jié)特性十分理想。該調(diào)速系統(tǒng)主要功能已達到通用變頻器的水平，而控制電路的規(guī)模和成本卻大幅度下降。

　　ADMC328及其他ADMC3XX系列新型嵌入式DSP電機控制器已經(jīng)隨著人們對高性能變速傳動設備的需求而推向了市場，性能價格比高、使用便捷的ADMC328芯片為家用電器和工業(yè)應用中電機的變速控制提供了一個優(yōu)化選擇方案，試驗研究的結(jié)果也初步證明了該DSP控制器的實用性。