变频器知识大全：控制篇

　　控制篇

　　通用变频器中基于DSP的数字控制器实现

　　引言

　　变频调速系统的关键，就是要没计一个合理的变频器，而它的核心就是变频调速系统的数字控制器。变频器的数字控制器包括信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能。

　　变频器数字控制系统的硬件部分，包括微处理器、接口电路及外围设备，其中微处理器是系统的控制核心，它通过内部控制程序，对从输入接口输入的数据进行处理，完成控制计算等工作，通过输出接口电路向外围发出各种控制信号，外围设备除了检测元件和执行机构，还包括各种操作、显示以及通信设备。

　　本文采用TI公司的TMS320F240自行设计了一款用于高速电机调速系统的数字控制器，频率可以通过键盘数字给定或者模拟给定，同时对它的功能和技术做了简要的分析，并给出了电机在18000r/min稳态运行时控制器的输出波形。

　　1 数字控制器的硬件结构框图和工作原理

　　数字控制器的硬件以TMS320F240定点DSP为CPU，CY7C199为外部数据和程序存储器，数据和程序存储器各32K；16路的模拟/数字输入通道，其中一路可以用来进行模拟频率给定；使用了8位数字I/O口，可以用键盘通过I/O口来进行数字频率给定；4路12位的数字/模拟转换通道，用于电机输出信号控制；RS232和SPI系列兼容接口，其中将SPI用作变频调速时电机频率的LED显示，将SCI口扩充成RS232接口，其功能布置框图如图1所示。

　　图1：数字控制器的硬件结构示意图。

　　电机或者逆变器的工作频率通过键盘给定，同时，其频率显示通过DSP内部的显示程序回显在LED上，当按下运行键以后，键盘设计频率被送到产生空间电压矢量的SVPWM处理子程序，生成的SVPWM波形通过GAL器件保护后输出，与此同时，电动机或者变频器的实时运行动态频率通过LED显示。正交编码脉冲可以接入电机的光电编码器，对系统构成速度环反馈，A/D模块可以接入电机的电流环，至于变频调速系统的保护中断源由DSP的引脚PDPINT提供，主要是过压、过流、控制电压欠压、过热等中断源。电机的速度或者逆变器的输出频率可以通过键盘改变。

　　2 硬件设计

　　数字信号处理器是数字控制器的核心部分，也是数字控制器对信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能的核心部分。数字控制器的功能模块设计如下。

　　2.l 数据和程序存储器的设计

　　DSP是一种高速存取器件，对于外围接口芯片有较高的要求，虽然DSP本身可以软件提供0~7个等待状态来满足与片外存取器件速度的匹配，但是为了不至于影响整个系统的控制和仿真功能，一般采用存取速度比较高的存储器来做为DSP的片外数据和程序存储器。本文采用CY7C199存储器，存取时间15ns，完全不用提供软件等待状态也不用加硬件等待电路，因为，CY7C199是32K的8位存储器，所以，使用了4片该存储器组成了32K的16位存储器RAM，数据和程序各32K。

　　2.2 DSP复位及时钟电路的设计

　　为了使系统被复位信号正确地初始化，对复位信号的脉冲宽度必须有一定的要求。对于TMS320F240而言，复位信号至少要lms。不过上电之后，系统的振荡器达到稳定工作状态需要20ms甚至更长的时间，一般来说上电复位时，在复位引脚上置100~200ms的一个低电平脉冲是比较合适的。根据这一原则，采用MAXIM公司的集成微处理器监控复位电路来完成，本文使用了MAX705。MAX705监控芯片，与传统的分立元器件组成的微机监控电路比较，它的可靠性高、动态响应好，功耗小、设计简单、体积小，在电子产品设计中已得到广泛的应用。

　　在设计中，时钟往往不被人充分地重视，其实，时钟是电路设计中非常重要的一个环节。DSP时钟既可由外部提供，亦可由板上的振荡器来提供。由于DSP及其它芯片工作都是以时钟为基准的，如果时钟质量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。本文采用外部时钟输入，由有源晶振产生10MHz脉冲，通过覆铜和串接LC滤波电路来抑制外界干扰，保证了系统的稳定工作。

　　2.3 RS232的串行口电路设计

　　RS232是美国电子工业协会于1960年发布的串行通信接口标准，目前应用广泛的是RS232C和RS232D。

RS232C的标准连接为DB25．但在实际应用中采用非标准的DB9连接，实际应用中根据需要对定义的引脚进行取舍。RS232C电气特性最大的特点是采用了负逻辑，逻辑l的电平是-3V~-15V，逻辑0的电平是+3V~+15V，因此，在使用中有一个电平转换接口的问题。本文中采用自升压的集成芯片MAX232C来构成，只由+5V电源来供电，电平转换所需的±10V电源由片内电荷泵产生。在控制器做好以后，进行了计算机的串行通信接口（SCI）