基于DSP技术的通用型数字变频器系统设计-电源网

DSP技术目前已经被广泛的应用在了控制芯片的研发设计中，这也为数字技术的应用提供了更多的便利。今天我们将会为大家分享一种基于DSP芯片的通用型数字变频器系统的设计方案，该种方案具有设计简便、稳定性好、反应灵敏等优势，希望能够对各位工程师的研发工作提供一定的借鉴和帮助。

在本方案中，我们所设计的这种能够多方面通用的数字控制变频器，其电路系统主要由主电路和控制电路组成。主电路采用典型的电压型交-直-交通用变频器结构。控制电路主要包括DSP数字控制器，由DSP、驱动电路、检测电路、保护电路以及辅助电源电路组成。主电路和控制电路原理系统结构框图如下图图1所示。

图1系统结构框图

主电路设计

在图1所给出的系统结构框图设计基础上，我们所设计的通用型数字控制变频器主电路的原理结构图如下图图2所示。可以看到，在这一方案中，其主电路结构由滤波、整流、中间滤波、泵升吸收和逆变部分组成。输入功率级采用三相桥式不可控全波整流电路，整流输出经过中间环节大电容滤波，获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率管的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列。整流电路将交流动力电变为直流电，本系统采用不可控全波整流模块6RI75G-120。

图2 主电路原理结构图

在主电路的设计过程中，我们为了有效防止尖峰电压对整流电路的冲击，故而在直流输出侧并联了一个可吸收高频电压的聚脂乙烯电容C4，该电容的取值为0.22μF。整流电路输出的直流电压含有脉动成分，逆变部分产生的脉动电流及负载变化也为直流电压脉动，由C1、C2滤波，取值为450V、470μF。在图2所给出的主电路结构图中，R2、R3为均压电阻，取值为5W、100kΩ；R1为充电限流电阻。启动变频器后经1s～2s，由J2继电器短路，以减少变频器正常工作时在中间直流环节上的功耗。

在本方案中，这种通用型数字变频器其逆变部分电路，主要采用EUPEC的FF300R12KE3集成模块，这种集成模块的内部集成了2个IGBT单元，故而比较适合变频逆变驱动，其具体极限参数为集射极电压VCES=1200V，结温80℃时集射极电流ICE=300A，结温25℃时集射极电流ICE=480A，允许过流600A，时间为1ms，功率损耗为1450W，门极驱动电压为±20V。

通过图2我们可以很清晰的看到，在这种通用型数字变频器的主电路系统中，TL、RL构成了一个泵升电压吸收电路。当电机负载进入制动状态时，反馈电流将向中间直流回路电容充电，导致直流电压上升。当直流电压上升到一定值时，控制TL导通，将会使这部分能量消耗在电阻RL上，以此来确保变频器可靠安全地工作。此外，由J1常闭触点与R4组成断电能量释放电路。当系统发生故障或关机时，继电器J1断电，通过其常开触点，将变频器与电网断开；而常闭触点闭合，利用R4为中间回路大电容所储存的能量提高释放通道。

基于DSP的控制电路设计

在本方案的设计过程中，我们所采用的DSP技术集成芯片为TMS320F2812，以该芯片为核心的数字控制电路如下图图3所示。从图3中可以非常清晰的看出，这一控制电路系统主要包括：DSP及其外围电路、信号检测与调理电路、驱动电路和保护电路。其中，信号检测与调理电路主要完成对图2输出电流和输出电压采样、A/D等功能，DSP产生脉冲信号，通过D/A转换后驱动功率开关管U1～U6。

图3 变频器数字控制系统框图

由于我们所采用的这种DSP芯片TMS320LF240，其本身就已经在内部集成了采样保持电路和模拟多路转换器的双十位A/D转换，因此为了尽量充分利用芯片资源，在本方案中我们特别采用了片内A/D转换进行设计。使用双减法电流采样电路，采样方案中的运算放大器是TLC2274，则第一运放U8A的输出电压为：

其中R1=R2，R3=Rn，则：

同样的，第二运放U8A的输出电压可以计算为：

在上述三个计算公式的基础上，我们可以得出该变频器数字控制的整个流程：从霍尔电流传感器输出的Ui=2.5±△V，此电压先后施加到由TLC2274构成的两个减法电路上，第一路以Ui减去传感器采样结果的中值参考电压2.5V，然后再线性放大到A/D采样所要求的电压范围。第二路则相反，再中值参考电压Uref减去传感器输出电压Ui，同样也线性放大到合适的电压范围。在变频器数字控制系统的设计中，Z1、Z2为两个3.3V的稳压二极管，对运放输出电压起到限幅作用。当Ui值>Uref时，则Uo1输出为正电压，且电压范围是0-3.3V，而由于二极管D2的存在使得电流不能注入到运放中，故而第二路运放不能输出负电压，而是钳位在0V。当Ui值<Uref时，Uo2输出为正电压。现样由于二极管D1在存在使得第一路运放不能输出负电压，也是钳位在0V，因此在一个正弦波周期内的某一时刻只会有一路信号输出，这比常规方法采样窗口要宽一倍，采样精度能够得到较大提升。

在进行这一通用型数字变频器的系统设计过程中，还有一个问题需要我们特别注意，那就是由于电机启动时的电流非常大或因控制回路、驱动电路等误动作，会造成输出电路短路等故障，因此需要一种能快速检测出过大电流的电路。这里我们主要采用2SD315A自身检测和检测直流母线的双重检测以及在故障发生时，采用软、硬件同时封锁的方法。为有效地保护功率IGBT和直流滤波电容，在该系统中我们还设计了母线电压过欠压保护电路，故障检测原理如图4所示。图4中，6N138为一个线性光电隔离器，输出电压信号与母线电压成正比，当通过光电隔离器件后，可以直接供给DSP控制系统进行采样。同时，将输出Vlimit信号送至DSP，触发中断保护。

图4 故障检测原理图

系统控制算法软件实现

基于DSP技术的数字控制是本方案中的设计重点，该种数字控制系统主程序图如下图图5所示。在本方案中的算法设计中，主程序模块主要功能是完成系统的初始化，PLL时钟的设定：DSP工作频率设为20MHz。输入输出端口初始化。事件管理器初始化。定时器1、2、3的设定、全比较PWM单元设定、死区单元设定。QEP工作方式设定。中断管理初始化：中断除复位、NMI位，只允许PDPINT、中断3。PDPINT是功率设备保护中断，中断3用于系统完成控制算法。

图5 数字控制系统主程序图