一種以DSP芯片為核心的通用型數字變頻器系統設計方案概述

DSP技術目前已經被廣泛的應用在了控制芯片的研發設計中，這也為數字技術的應用提供了更多的便利。今天我們將會為大家分享一種基于DSP芯片的通用型數字變頻器系統的設計方案，該種方案具有設計簡便、穩定性好、反應靈敏等優勢，希望能夠對各位工程師的研發工作提供一定的借鑒和幫助。

在本方案中，我們所設計的這種能夠多方面通用的數字控制變頻器，其電路系統主要由主電路和控制電路組成。主電路采用典型的電壓型交-直-交通用變頻器結構?？刂齐娐分饕―SP數字控制器，由DSP、驅動電路、檢測電路、保護電路以及輔助電源電路組成。主電路和控制電路原理系統結構框圖如下圖圖1所示。

圖1系統結構框圖

主電路設計

在圖1所給出的系統結構框圖設計基礎上，我們所設計的通用型數字控制變頻器主電路的原理結構圖如下圖圖2所示?？梢钥吹?，在這一方案中，其主電路結構由濾波、整流、中間濾波、泵升吸收和逆變部分組成。輸入功率級采用三相橋式不可控全波整流電路，整流輸出經過中間環節大電容濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率管的導通和關斷，輸出交變的脈沖電壓序列。整流電路將交流動力電變為直流電，本系統采用不可控全波整流模塊6RI75G-120。

圖2 主電路原理結構圖

在主電路的設計過程中，我們為了有效防止尖峰電壓對整流電路的沖擊，故而在直流輸出側并聯了一個可吸收高頻電壓的聚脂乙烯電容C4，該電容的取值為0.22μF。整流電路輸出的直流電壓含有脈動成分，逆變部分產生的脈動電流及負載變化也為直流電壓脈動，由C1、C2濾波，取值為450V、470μF。在圖2所給出的主電路結構圖中，R2、R3為均壓電阻，取值為5W、100kΩ;R1為充電限流電阻。啟動變頻器后經1s～2s，由J2繼電器短路，以減少變頻器正常工作時在中間直流環節上的功耗。

在本方案中，這種通用型數字變頻器其逆變部分電路，主要采用EUPEC的FF300R12KE3集成模塊，這種集成模塊的內部集成了2個IGBT單元，故而比較適合變頻逆變驅動，其具體極限參數為集射極電壓VCES=1200V，結溫80℃時集射極電流ICE=300A，結溫25℃時集射極電流ICE=480A，允許過流600A，時間為1ms，功率損耗為1450W，門極驅動電壓為±20V。

通過圖2我們可以很清晰的看到，在這種通用型數字變頻器的主電路系統中，TL、RL構成了一個泵升電壓吸收電路。當電機負載進入制動狀態時，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導致直流電壓上升。當直流電壓上升到一定值時，控制TL導通，將會使這部分能量消耗在電阻RL上，以此來確保變頻器可靠安全地工作。此外，由J1常閉觸點與R4組成斷電能量釋放電路。當系統發生故障或關機時，繼電器J1斷電，通過其常開觸點，將變頻器與電網斷開;而常閉觸點閉合，利用R4為中間回路大電容所儲存的能量提高釋放通道。

基于DSP的控制電路設計

在本方案的設計過程中，我們所采用的DSP技術集成芯片為TMS320F2812，以該芯片為核心的數字控制電路如下圖圖3所示。從圖3中可以非常清晰的看出，這一控制電路系統主要包括：DSP及其外圍電路、信號檢測與調理電路、驅動電路和保護電路。其中，信號檢測與調理電路主要完成對圖2輸出電流和輸出電壓采樣、A/D等功能，DSP產生脈沖信號，通過D/A轉換后驅動功率開關管U1～U6。

圖3 變頻器數字控制系統框圖

由于我們所采用的這種DSP芯片TMS320LF240，其本身就已經在內部集成了采樣保持電路和模擬多路轉換器的雙十位A/D轉換，因此為了盡量充分利用芯片資源，在本方案中我們特別采用了片內A/D轉換進行設計。使用雙減法電流采樣電路，采樣方案中的運算放大器是TLC2274，則第一運放U8A的輸出電壓為：

其中R1=R2，R3=Rn，則：

同樣的，第二運放U8A的輸出電壓可以計算為：

在上述三個計算公式的基礎上，我們可以得出該變頻器數字控制的整個流程：從霍爾電流傳感器輸出的Ui=2.5±△V，此電壓先后施加到由TLC2274構成的兩個減法電路上，第一路以Ui減去傳感器采樣結果的中值參考電壓2.5V，然后再線性放大到A/D采樣所要求的電壓范圍。第二路則相反，再中值參考電壓Uref減去傳感器輸出電壓Ui，同樣也線性放大到合適的電壓范圍。在變頻器數字控制系統的設計中，Z1、Z2為兩個3.3V的穩壓二極管，對運放輸出電壓起到限幅作用。當Ui值》Uref時，則Uo1輸出為正電壓，且電壓范圍是0-3.3V，而由于二極管D2的存在使得電流不能注入到運放中，故而第二路運放不能輸出負電壓，而是鉗位在0V。當Ui值

在進行這一通用型數字變頻器的系統設計過程中，還有一個問題需要我們特別注意，那就是由于電機啟動時的電流非常大或因控制回路、驅動電路等誤動作，會造成輸出電路短路等故障，因此需要一種能快速檢測出過大電流的電路。這里我們主要采用2SD315A自身檢測和檢測直流母線的雙重檢測以及在故障發生時，采用軟、硬件同時封鎖的方法。為有效地保護功率IGBT和直流濾波電容，在該系統中我們還設計了母線電壓過欠壓保護電路，故障檢測原理如圖4所示。圖4中，6N138為一個線性光電隔離器，輸出電壓信號與母線電壓成正比，當通過光電隔離器件后，可以直接供給DSP控制系統進行采樣。同時，將輸出Vlimit信號送至DSP，觸發中斷保護。

圖4 故障檢測原理圖

系統控制算法軟件實現

基于DSP技術的數字控制是本方案中的設計重點，該種數字控制系統主程序圖如下圖圖5所示。在本方案中的算法設計中，主程序模塊主要功能是完成系統的初始化，PLL時鐘的設定：DSP工作頻率設為20MHz。輸入輸出端口初始化。事件管理器初始化。定時器1、2、3的設定、全比較PWM單元設定、死區單元設定。QEP工作方式設定。中斷管理初始化：中斷除復位、NMI位，只允許PDPINT、中斷3。PDPINT是功率設備保護中斷，中斷3用于系統完成控制算法。

圖5 數字控制系統主程序圖

以上就是本文所介紹的一種基于DSP技術的通用型數字控制變頻器系統設計方案，希望能夠對各位工程師的日常研發和設計工作有所幫助。