基于DSP的三相交流异步电机变频调速系统设计

罗海龙，阮岩，王昆

（西安石油大学电子工程学院，西安 710065）

0 引言

随着电机控制产品的多样化，变频技术已被普遍运用[1]。在电机系统节能解决方案中，有相当一部分系统通过变频调速控制技术，可节省大量的电能。目前，先进的控制算法使运算日益复杂化，新的应用需要更高的控制精度、实时控制要求中断响应时间更短[2-3]，为此对数字处理器的要求更加苛刻。选用TI的32位TMS320F28335 DSP控制器，其拥有增强型脉宽调制器（ePWM）模块、12.5MSPS的ADC模块、增强型捕获单元模块、浮点运算单元以及众多的通信接口等。在电机变频调速系统设计中能够降低系统成本、增加系统可靠性和提升系统性能。

1 系统总体设计

基于TI的高速数字信号处理器TMS320F28335设计了三相异步电机变频调速系统。系统设计包括电源设计、逆变器设计、DSP最小系统设计、电压电流检测设计和测速设计。系统总体设计框图如图1所示。DSP通过ADC模块读取整流侧直流电压，电机电压Uref的大小可根据U/F控制特性可以获得，θ为定子电压矢量旋转角度，可由当前运行频率值对时间的积分直接计算得到[4]，由此可确定θ象限、Uref所在扇区号，通过查表和计算得出每个ePWM模块CMPA寄存器的值，从而产生SVPWM去驱动功率元件开关动作[5-6]。检测电路将检测到的信号传给DSP，通过观测相应寄存器的值即可清楚的看到系统运行状况。

图1 系统总体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 系统电源设计

系统运行需要多种电源。其中IPM模块控制电源需要直流15V的单向电源供电；霍尔电流传感器和高速光耦工作需要5V电压供电；DSP电路系统中需要3.3V和1.9V两种电压。为了得到这几种电源，将220V交流电通过可调变压器和桥式整流，经过滤波，接入到三端稳压LM7815和LM7805，分别提供15V和5V，选择电压精度较高的电源芯片TPS767D301产生3.3V和1.9V两种电压供DSP使用。

2.2 逆变电路设计

系统采用智能功率模块IPM，IPM以其高可靠性、安全性和便捷性，在驱动电机的变频器和各种逆变电源等方面已得到广泛应用。因DIP-IPM内置了HVIC，实现了单15V电源供电，同时MCU/DSP与模块之间可不再需要隔离电路即实现了无光耦直接驱动。此外，由于DIP-IPM的控制输入逻辑电平和DSP输出的CMOS点评标准兼容，可直接将DSP直接连接到DIP-IPM模块上。但由于Fo信号线通过一10KΩ电阻上拉至5V，故该信号需通过5V转3.3V电平驱动电路后连接到DSP上，响应故障信号。

2.3 DSP最小系统设计

（1）TMS320F28335工作时所需的两种电压由TPS767D301提供，并且该芯片自身能够产生复位信号，可直接连到DSP的复位管脚使用。所以不用专门的复位电路，简化了系统设计，降低了系统设计成本。

（2）F28335外接30MHz有源晶振输入，进入锁相环PLL模块进行10倍频，然后2分频，最后送至CPU，CPU的时钟为150MHz。

（3）JTAG下载电路将DSP连接到仿真器，仿真器连接到电脑，进行程序下载和调试。

2.4 电压、电流检测电路设计

需要检测逆变器输出线电流和直流母线电压。电流的大小通过线性霍尔电流传感器来测量，其输出模拟电压连接到DSP的ADC模块进行采集。TMS320F28335支持多达16个具有双通道采样及保持功能的模拟输入通道，12位ADC采样速率高达12.5MSPS，可快速精确的对信号进行采集。霍尔电流传感器输出模拟电压范围为1.5～3.5V，而DSP的ADC模块要求模拟电压输入在0～3V之间。因此就需要设计调理电路调节输入电压到ADC模拟输入范围内进行采集，具体电路如图2所示。整流侧直流电压范围也不符合ADC模块模拟输入范围，因此也需要调理电路调整，具体电路如图3所示。

图2 电流检测电路

图3 电压检测电路

2.5 测速电路设计

电机转速可用光电编码器获取。在固定的时间内，通过增量型光电编码器输出的信号的读取，运算得到速度量。光电编码器信号需经过高速光耦6N134，最终连接到TMS320F28335的eQEP模块的QEP1A和QEP1B引脚进行处理。电路如图4所示。

图4 测速电路

3 系统软件设计

系统控制程序由主程序和PWM中断子程序和故障中断子程序组成。

主程序主要负责初始化系统，初始化中断、初始化系统外设和循环等待等任务。主程序流程图如图5所示。

图5 系统主程序流程图

PWM中断子程序主要通过完成SVPWM算法的计算，然后3个PWM模块输出波形控制IPM中6个VT的开关，每个PWM模块产生带死区的两个互补的PWM波。

故障中断子程序主要用于当TMS320F28335接收到IPM的过流、欠压、短路等故障信号时，立刻响应中断，切断所有PWM信号，保证系统和IPM功率模块不受损坏。

4 测试验证

在实验中，使用的电机是一个3相交流异步电机，其额定频率50Hz，额定电压380V。通过测试，电机在5～50Hz内可进行平滑的变频调速，电机分别在10Hz、25Hz、50Hz时逆变器输出的A、B相线电流的波形如图6、图7、图8所示。实验结果表明了SVPWM方法的有效性。

5 结语

本文介绍了一种基于SVPWM的U/F调速控制系统，介绍了系统的总体框架和详细的SVPWM实现过程。给出了基于TI的TMS320F28335 DSP控制器的设计方案，测试结果表明了设计的可行性。SVPWM技术更有效地利用了直流母线电压，在变频家电、工业风机、工业泵机等场合具有很强的应用价值。

图6 逆变器输出A、B相线电流波形（10Hz）

图7 逆变器输出A、B相线电流波形（25Hz）

图8 逆变器输出A、B相线电流波形（50Hz）

参考文献：

[1]孟武胜,杨鹏.基于DSP的永磁同步电机变频调速系统设计研究[J].微电机,2006,39(9):78-81.

[2]艾红.基于DSP的异步电机变频调速矢量控制研究[J].微特电机,2017(5):80-84.

[3]郑飞,费树岷,周杏鹏,等.基于DSP和FPGA的SVPWM算法及其在变频调速中的应用[J].电力自动化设备,2010,30(11):61-64.

[4]于泳,熊文凯,杨荣峰,等.一种新颖的感应电机V/F控制系统低速性能提升方法[J].电气自动化,2009,31(4):6-8.

[5]范心明.基于SIMULINK的SVPWM仿真[J].电气传动自动化,2009,31(3):19-21.

[6]李晓静,周书晴.一种基于DSP的变频调速系统的SVPWM控制方法[J].电力自动化设备,2005,25(9):43-46.