0 引言

變頻器控制電機(jī)最基本的兩個(gè)輸出量是頻率和轉(zhuǎn)矩，通用變頻器由于其通用性而被廣泛地應(yīng)用于各種場(chǎng)合。為滿足各種負(fù)載的要求，在通用變頻器中設(shè)計(jì)了靈活而豐富的頻率設(shè)定功能和頻率控制接口，為此通用變頻器中有上千條的功能指令參數(shù)，外部擁有基本的控制端子和可編程的控制端子。根據(jù)負(fù)載機(jī)械的具體要求，可選擇多種啟動(dòng)和停機(jī)方式、頻率上下限設(shè)定、多段速運(yùn)行設(shè)定等。頻率輸出值可用數(shù)字鍵盤(pán)設(shè)定，或利用輸入模擬控制端子來(lái)控制電機(jī)的速度。變頻器所具有的完善的保護(hù)功能，可使電機(jī)與變頻器同時(shí)獲得多種可靠的保護(hù)。

1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

變頻器系統(tǒng)硬件電路一般可以分成三部分，功率主電路部分、控制電路部分以及檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)電路。本文軟件所用平臺(tái)為通用變頻器的典型交—直—交電壓源型主電路結(jié)構(gòu)形式，控制部分采用DSP 芯片TMS320LF2406，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

控制系統(tǒng)主要功能包括對(duì)直流電壓、輸出電流、溫度、模擬輸入等的A/D采樣，I/O輸入輸出，數(shù)據(jù)通訊及顯示，速度檢測(cè)，故障檢測(cè)及電源管理等。本系統(tǒng)采用的是開(kāi)環(huán)V/f控制，其系統(tǒng)控制圖如圖2所示。

該系統(tǒng)采用電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制方式，可以由開(kāi)環(huán)給定一個(gè)頻率值或者由系統(tǒng)中的某一參數(shù)和其反饋值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)得到系統(tǒng)的輸出頻率，通過(guò)V/f 曲線得到一個(gè)電壓值，再由SVPWM波形發(fā)生器產(chǎn)生SVPWM觸發(fā)脈沖，這樣就可以通過(guò)改變功率器件IGBT 的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制，而通過(guò)控制逆變橋的工作周期來(lái)控制輸出頻率。

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，主要包括頻率斜坡函數(shù)發(fā)生器、V/f函數(shù)發(fā)生器、電流限制調(diào)節(jié)器、電壓限制調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、力矩補(bǔ)償、PI調(diào)節(jié)等控制環(huán)節(jié)。圖2中的控制部分主要由數(shù)字化來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制核心由DSP(數(shù)字化信號(hào)處理器)完成，其時(shí)鐘頻率為40 MHz。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

按控制系統(tǒng)軟件在DSP中的功能作用，可分為初始化模塊和執(zhí)行模塊兩大部分。初始化模塊的目的是建立起DSP應(yīng)用環(huán)境;執(zhí)行模塊的目的是實(shí)現(xiàn)變頻器的控制功能，它又分為主循環(huán)模塊、中斷服務(wù)程序模塊。主循環(huán)模塊又稱等待循環(huán)程序模塊，主要執(zhí)行一些實(shí)時(shí)性要求不高的閑時(shí)功能模塊，例如通訊模塊、鍵盤(pán)模塊和V/f控制模塊;中斷服務(wù)程序模塊主要執(zhí)行一些實(shí)時(shí)性要求高的功能模塊，如SVPWM算法實(shí)現(xiàn)輸出模塊、A/D采樣模塊、時(shí)基模塊和軟件保護(hù)模塊。圖3和圖4分別給出系統(tǒng)的主程序流程圖和中斷程序流程圖。

3 主要功能程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 頻率變化輸出的加減速實(shí)現(xiàn)

電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中，或者是在負(fù)載不斷變化的過(guò)程中，變頻器會(huì)得到一個(gè)階躍頻率給定值，這樣將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)大的沖擊，頻率斜坡函數(shù)發(fā)生器的作用就是把階躍信號(hào)值轉(zhuǎn)變?yōu)樾逼滦盘?hào)值，使系統(tǒng)的電壓、電流、頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速都能穩(wěn)定地上升和下降。斜率的大小由頻率加減速時(shí)間決定，本系統(tǒng)有4種可供選擇的加減速時(shí)間，可以通過(guò)鍵盤(pán)或控制端子的不同組合來(lái)確定，時(shí)間能夠精確到0.01 s，調(diào)頻的分辨率達(dá)到0.01 Hz，這主要是通過(guò)優(yōu)化的異步信號(hào)調(diào)制技術(shù)和DSP的高速處理能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。頻率斜坡函數(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)如圖5所示，在此過(guò)程中，為了使輸出頻率與目標(biāo)頻率嚴(yán)格一致，采取了一些細(xì)節(jié)處理，當(dāng)加減速時(shí)間較短時(shí)，在加減速的過(guò)程中，每次頻率調(diào)節(jié)的data可能> 0.01 Hz，因此當(dāng)目標(biāo)頻率fn和被調(diào)節(jié)頻率fc之差駐f *與駐f不成整數(shù)倍時(shí)，會(huì)造成目標(biāo)頻率與輸出頻率不一致。即

因此，最后一次調(diào)節(jié)的頻率是data0，頻率變化的具體流程圖如圖5所示。

3.2 帶力矩補(bǔ)償?shù)腣/f曲線的實(shí)現(xiàn)

在電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中，由于電機(jī)阻抗壓降的影響，并不能保證電機(jī)為恒磁通，尤其在剛啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)的阻抗壓降更不能忽略。對(duì)于普通的通用變頻器而言，V/f控制曲線的設(shè)置是其核心功能，既可以事先設(shè)置好固定的帶轉(zhuǎn)矩提升可選擇的V/f曲線，也可以根據(jù)負(fù)載具體要求由用戶自己設(shè)置曲線模式。具體如圖6 所示，其中：fmin 為最低輸出頻率，fA為中間輸出頻率，fB為基本輸出頻率，fmax為最高輸出頻率，Vmin最低輸出電壓，VA為中間輸出電壓，VB為基本輸出電壓，Vmax為最高輸出電壓。

由給定的頻率f，就可以由V/f曲線得出輸出電壓值UAC，流程圖如圖7所示。

3.3 故障保護(hù)

本系統(tǒng)中的故障保護(hù)是通過(guò)硬件中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由DSP的引腳PDPINTA向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷后，首先關(guān)斷SVPWM 波形發(fā)生器，然后檢測(cè)中斷源，設(shè)置故障標(biāo)志，通過(guò)通訊中斷及時(shí)向上位機(jī)送出故障類型。其流程如圖8所示。

3.4 直流制動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)

采用直流制動(dòng)控制的目的：一是準(zhǔn)確停車控制，二是禁止在起動(dòng)前電機(jī)由外因引起的不規(guī)則自由旋轉(zhuǎn)。直流制動(dòng)即向異步電動(dòng)機(jī)的定子通直流電，讓異步電機(jī)的定子磁場(chǎng)不再旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)著的轉(zhuǎn)子切割這個(gè)靜止磁場(chǎng)而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能消耗于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中，此時(shí)異步電機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。

直流制動(dòng)時(shí)向定子繞組中通直流電的方式有兩種：

1)在三相繞組中通入直流電流，這時(shí)6 個(gè)IGBT中的3個(gè)處于工作狀態(tài)，其余3 個(gè)一直處于關(guān)斷狀態(tài)，3個(gè)工作的管子應(yīng)位于不同的橋臂，且在不同側(cè)，觸發(fā)信號(hào)的占空比可以根據(jù)調(diào)制度進(jìn)行調(diào)節(jié);

2)在兩相繞組中通入直流電流，這時(shí)有2個(gè)位于不同橋臂的不同側(cè)的IGBT工作，其余功率管都處于關(guān)斷狀態(tài)。

上述兩種電路都存在定子繞組中通入的直流電與定子原來(lái)電流方向相反，di/dt較大，產(chǎn)生沖擊電流，導(dǎo)致過(guò)電流保護(hù)誤跳閘的問(wèn)題。為了避免出現(xiàn)定子電流反向，產(chǎn)生過(guò)電流，本系統(tǒng)直流制動(dòng)過(guò)程采用矢量直流制動(dòng)，根據(jù)異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)理和SVPWM追蹤磁鏈定向的脈寬調(diào)制策略，當(dāng)頻率減速到直流制動(dòng)頻率時(shí)，置直流制動(dòng)標(biāo)志位，SVPWM調(diào)制方式中的旋轉(zhuǎn)矢量停止，按當(dāng)前的狀態(tài)來(lái)控制功率管的開(kāi)關(guān)，并給定直流制動(dòng)矢量電壓U(改變調(diào)制度)，然后開(kāi)始直流制動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)直流制動(dòng)時(shí)間到時(shí)，停止運(yùn)行。直流制動(dòng)軟件控制流程如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前面介紹的系統(tǒng)硬件電路和軟件控制算法，對(duì)制作的原理樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了異步電動(dòng)機(jī)輕載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況，以此來(lái)檢測(cè)原理樣機(jī)的可行性，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了波形記錄。實(shí)驗(yàn)用電機(jī)的參數(shù)為：額定電壓Un=380 V，額定電流In= 4.87 A，額定頻率f=50 Hz，額定功率Pe=2 200W。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程測(cè)試了在不同頻率輸出時(shí)電機(jī)的電流，如圖10所示。從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，其輸出電流是正弦波，由于采用了死區(qū)補(bǔ)償，即使在低頻時(shí)，波形的畸變也不大。但從實(shí)驗(yàn)波形也可看出，有諧波產(chǎn)生，產(chǎn)生諧波的原因主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：

1)利用DSP產(chǎn)生的SVPWM波形，不能嚴(yán)格保證輸出的PWM 波形的面積與理想中相對(duì)應(yīng)的正弦波面積完全相等;

2)SVPWM波形控制方法本身不可避免地造成逆變器輸出波形有所失真。

3)功率開(kāi)關(guān)器件存在固有的開(kāi)通與延時(shí)時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

通用變頻系統(tǒng)軟件主體部分已經(jīng)調(diào)試完畢，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該軟件系統(tǒng)性能已滿足設(shè)計(jì)要求。但程序系統(tǒng)仍有許多不足，如程序模塊化、可移植性、接口統(tǒng)一及通用性較差。下一步的工作是對(duì)現(xiàn)有程序進(jìn)行改進(jìn)，在提高程序通用性、可移植性的同時(shí)，改進(jìn)部分程序的算法，以提高系統(tǒng)軟件的執(zhí)行效率。