关于TMS320F28335控制的高性能变频调速系统

1万 · 2014-9-12 14:21

随着电力电子器件和微处理器技术的不断发展，交流变频调速系统得到了迅猛的发展；本文设计了以TMS320F28335为核心的硬件控制电路，对交流调速SVPWM算法进行了实验，实验结果验证了这种算法的正确性。在此基础上，对变频调速系统的VF控制系统进行了实验研究，实验结果表明：控制系统实现了异步电机的变频控制，具有良好的动态响应。
引言
近年来，交流变频调速装置在工业中得到了广泛的应用，根据国家有关部门的调查统计，我国发电量的50%以上用于推动电动机做功，其中90%的电动机是交流电动机。这类高压电动机被广泛用于电力、冶金、钢铁、石化、煤矿等大、中型企业，拖动风机、泵类、压缩机等各种负载设备，而且大多数采用直接恒速拖动，每年都会造成大量的能源浪费。此类负载工况变化较大，如采用交流调速技术实现变速运行，节能效果明显。因此，我国的高压变频器市场规模十分庞大，根据相关统计，2009年市场规模达到了39亿元，并且市场规模将持续的增长，预计到2012年将达到85亿元。
由于国内大容量高性能交流调速系统的研制工作起步较晚，仅有少量产品投入运行，目前很多必须的场合均为国外产品所占领。而国外产品一般价格较高，很难为一般用户所接受；且国外的电网等级一般为3kV，而国内的电网等级多为6kV和10kV，直接从国外进口变频器存在着电网等级不匹配的问题。以上原因相应的限制了此类系统在我国的推广和应用。因此，研制出性能可靠、价格合理的高压大容量高性能变频调速装置并尽快投入批量生产，具有重要的现实意义。同时不可控整流器的谐波污染问题越来越得到重视，应用PWM整流器，解决谐波污染得到了广泛的共识。
针对以上问题，本系统设计利用TMS320F28335为控制核心的实验系统，对双PWM变频调速系统的控制进行了实验研究。
1. 系统方案
本设计的三相PWM变频器系统实验平台的硬件由两大部分组成，分别是主电路部分和控制电路部分。如图1所示。

系统主电路部分主要由网侧滤波电感、三相整流桥、直流储能电容、三相逆变桥和异步电机组成。
控制电路部分以TMS320F28335 为核心，辅以电流、电压、速度检测和PWM 驱动等模块电路。

1万 · 2014-9-12 14:24

1）主电路
采用三相整流桥和逆变桥，可实现双侧的PWM控制，实现电机的四象限运行，能量回馈，达到节约能源，减少谐波污染的目的。主电路结构图如图2所示

2）控制电路部分
硬件控制电路以TI公司高性能的32位浮点DSP控制芯片TMS320F28335为核心，辅以电流、电压、速度检测和PWM 驱动等功能电路。控制系统结构图如图3所示。
TMS320F28335的时钟频率高达150MHz，并且具备浮点运算单元（FPU），68K的RAM和512K的Flash，在运算速度和运算精度上完全可以满足高性能双PWM变频控制系统的需要。此外，TMS320F28335还具有丰富的片内外设单元，最高支持18路PWM信号输出，具有2个正交编码单元（eQEP）、6个捕获单元（eCAP），支持CAN、SCI、SPI、I2C通讯[42]，通过数模转换单元（ADC）可以实现电机电流信号、直流母线电压信号的A/D转换，通过正交编码单元（eQEP）实现电机速度的检测和电机的旋转方向，通过脉冲调制模块（ePWM）生成12路PWM驱动信号，正好可满足两电平系统所需的全部12路PWM信号。采用互补输出模式，在DSP内加入死区延时，保证主电路的可靠工作。

目前应用在变频器上的PWM调制方法可以分为两类：基于载波的SPWM调制方法和空间矢量脉宽调制（SVPWM）。SPWM算法，就是利用一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其脉冲宽度是由正弦波和三角波相交生成的，来等效正弦波形。SVPWM算法，就是用逆变器每个开关周期内输出的三相脉冲电压合成电压矢量，与期望输出的三相正弦波电压合成的空间矢量（参考矢量）等效。SVPWM算法的直流母线利用率较高，但是SPWM算法注入三次谐波以后也可以到达的相同直流母线利用率。
控制系统采用VF控制策略，调制波部分采用SVPWM调制方式。
在异步电动机的调速系统中，变压变频调速系统(Variable Voltage ariable Frequency System)是控制性能最好，效率最高的调速系统．VF控制是指在调速过程中保持电压和频率的比值不变，即在改变电源频率的同时，保证电机的定子磁通恒定．由于其具有软、硬件实现简单、性价比合理等优点，而在交流调速中得到了广泛应用。
SPWM和SVPWM并不是两种孤立的调制方法，典型的SVPWM是一种在SPWM的相调制波中加入了零序分量后进行规则采样得到的结果，只不过从实现方法上来看，SPWM算法更适合于硬件电路实现，而SVPWM算法更适合于数字化控制系统。因此，SVPWM算法目前广泛的应用于数字控制的电压源型逆变器中。本设计中，采用SVPWM调制方法，同时，为了消除偶次谐波，采用小矢量对称的开关顺序。

1万 · 2014-9-12 14:37

1. 系统硬件设计
本系统对控制电路中的DSP外围电路、ADC接口电路、码盘接口电路、电平转换电路等进行了设计，下面对其关键部分进行详细的介绍。

1.1 DSP外围电路
DSP的外围电路主要包括：电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG接口电路和外部存储电路。

（1）电源电路

TMS320F28335的I/O引脚和可编程Flash的电压是3.3V，而内核的供电电压是1.9V，因此，DSP芯片需要3.3V和1.9V两种电压供电。这里采用TI公司专门为DSP控制系统设计的电源芯片TPS73HD301，该芯片输入电压为5V，输出有固定3.3V和1.2V—9.75V可调，每路输出最大750mA，通过调节R23和R24的电阻值可以调节输出电压至1.9V。

（3）复位电路

为了防止系统出现死机等状况，需要手动复位电路，当按下复位按钮后，会产生一个低电平脉冲送入DSP的复位引脚。这里采用复位芯片SP708R，复位芯片与常规的复位电路相比可靠性更高，电路更加简单。复位电路如图5所示。

（4）JTAG接口电路

TMS320F28335通过标准的14针JTAG接口与仿真器连接，仿真器通过USB线缆与PC机连接，这样才能实现DSP的在线编程和调试。因此JTAG接口在控制系统中是必不可少的。

（5）外部存储电路

控制系统需要保存大量的参数，例如电机的铭牌参数、PI调节器的参数、故障代码等，考虑到DSP的I/O端口电压为3.3V，故选用3.3V的EEPROM芯片24WC256。DSP通过I2C总线对24WC256进行读操作和写操作。

3.2 ADC接口电路
为了实现三电平逆变器的VF控制，需要检测直流母线电压和异步电机的相电流，对于TMS320F28335的ADC模块，模拟量的输入范围为0—3V，而电压、电流传感器的输出值往往不在这个电压范围内，因此需要设计ADC接口电路，对传感器检测到的电压值进行量化处理，满足TMS320F28335对于模拟量输入的要求。

电压检测接口电路如图6所示：

（2）时钟电路

TMS320F28335的时钟频率为150MHz，由30MHz的外部时钟信号通过DSP内部的PLL倍频得到。这里采用30MHz的有源晶振。有源晶振与无源晶振相比，不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单，不需要复杂的配置电路。

下面以为例进行说明，通过R29和R30分压，对电压测量值的电压值进行调节；通过R35、R38、C35、C38和U14A组成的有源滤波电路对电压测量值进行滤波处理；通过C74、R92和U14B来调节输出电阻；通过齐纳二极管D9和D10对模拟量输入的限幅，防止输入电压值过大，烧坏DSP的ADC模块。

电流检测接口电路，电路的基本结构和电压检测接口电路类似，在电压检测电路的基础上，增加了直流偏置电路。

3.3 码盘接口电路
在异步电机的矢量控制中，需要使用光电编码器来检测电机转速。选择的编码器为欧姆龙公司的E6B2-C，分辨率为每转1000个脉冲，采用+15V供电，光电码盘反馈的脉冲信号也为15V，因此需要设计码盘接口电路来进行脉冲信号的电平变换。

3.4 电平转换电路
DSP和CPLD的I/O端口电压为3.3V，而很多的外部接口电路，例如IGBT驱动电路的输入电压、码盘接口电路的脉冲信号、数字量输入和数字量输出的电压信号均为5V。因此需要电平转换电路，来实现控制电路和外部电路的信号传递。这里选择TI公司的电平转换芯片SN74ALVC164245，该芯片支持16路信号的电平转换，驱动能力强，并且可以通过DIR引脚来设置信号的传输方向。

1万 · 2014-9-12 14:38

统的控制算法采用VF控制，VF控制是指在调速过程中保持电压和频率的比值不变，即在改变电源频率的同时，保证电机的定子磁通恒定。

交流异步电机定子绕组的感应电动势有效值为：

wps_clip_image-26569

其中，k为常数，wps_clip_image-20572为定子磁通，U为定子电压，wps_clip_image-9565为频率，E为感应电势。

在进行变频调速时，在U不变的情况下，如果wps_clip_image-27162下降，wps_clip_image-16600增加，将引起磁通饱和，电流波形畸变，削弱电磁转矩，影响机械特性，如果wps_clip_image-15663增加，wps_clip_image-14375则下降，导致负载能力下降。因此，在改变wps_clip_image-25143的同时，改变U，保持U/ wps_clip_image-4692=wps_clip_image-14722为恒值。同时还应考虑电压较低时的定子压降。

由于VF控制具有软、硬件实现简单、性价比合理等优点，而在交流调速中得到了广泛应用。

调制算法采用SVPWM控制，该算法的核心是保证电压空间矢量 (三相定子电压矢量和)的运行轨迹为圆形，并产生谐波含量较少、直流母线电压利用率较高的输出。根据伏秒平衡原理，利用逆变器功率开关管的8个开关状态所确定的基本电压矢量和顺序组合，以及开关管导通时间的调整，可以获得所要求的参考电压空间矢量，从而实现交流电动机的变频调速。本设计在基本算法的基础上。采用消除偶次谐波的SVPWM算法，收到良好的效果。