0 引言

變頻器控制電機最基本的兩個輸出量是頻率和轉矩，通用變頻器由于其通用性而被廣泛地應用于各種場合。為滿足各種負載的要求，在通用變頻器中設計了靈活而豐富的頻率設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，外部擁有基本的控制端子和可編程的控制端子。根據負載機械的具體要求，可選擇多種啟動和停機方式、頻率上下限設定、多段速運行設定等。頻率輸出值可用數字鍵盤設定，或利用輸入模擬控制端子來控制電機的速度。變頻器所具有的完善的保護功能，可使電機與變頻器同時獲得多種可靠的保護。

1 系統(tǒng)的基本結構

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與驅動電路。本文軟件所用平臺為通用變頻器的典型交—直—交電壓源型主電路結構形式，控制部分采用DSP 芯片TMS320LF2406，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

控制系統(tǒng)主要功能包括對直流電壓、輸出電流、溫度、模擬輸入等的A/D采樣，I/O輸入輸出，數據通訊及顯示，速度檢測，故障檢測及電源管理等。本系統(tǒng)采用的是開環(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制技術實現變壓變頻控制方式，可以由開環(huán)給定一個頻率值或者由系統(tǒng)中的某一參數和其反饋值經過PI調節(jié)得到系統(tǒng)的輸出頻率，通過V/f 曲線得到一個電壓值，再由SVPWM波形發(fā)生器產生SVPWM觸發(fā)脈沖，這樣就可以通過改變功率器件IGBT 的占空比實現對輸出電壓的控制，而通過控制逆變橋的工作周期來控制輸出頻率。

在整個控制系統(tǒng)中，主要包括頻率斜坡函數發(fā)生器、V/f函數發(fā)生器、電流限制調節(jié)器、電壓限制調節(jié)器、轉差補償、力矩補償、PI調節(jié)等控制環(huán)節(jié)。圖2中的控制部分主要由數字化來實現，控制核心由DSP(數字化信號處理器)完成，其時鐘頻率為40 MHz。

2 系統(tǒng)的軟件設計

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應用環(huán)境;執(zhí)行模塊的目的是實現變頻器的控制功能，它又分為主循環(huán)模塊、中斷服務程序模塊。主循環(huán)模塊又稱等待循環(huán)程序模塊，主要執(zhí)行一些實時性要求不高的閑時功能模塊，例如通訊模塊、鍵盤模塊和V/f控制模塊;中斷服務程序模塊主要執(zhí)行一些實時性要求高的功能模塊，如SVPWM算法實現輸出模塊、A/D采樣模塊、時基模塊和軟件保護模塊。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 主要功能程序實現

3.1 頻率變化輸出的加減速實現

電動機在啟動和停機過程中，或者是在負載不斷變化的過程中，變頻器會得到一個階躍頻率給定值，這樣將對系統(tǒng)產生過大的沖擊，頻率斜坡函數發(fā)生器的作用就是把階躍信號值轉變?yōu)樾逼滦盘栔?，使系統(tǒng)的電壓、電流、頻率和電機轉速都能穩(wěn)定地上升和下降。斜率的大小由頻率加減速時間決定，本系統(tǒng)有4種可供選擇的加減速時間，可以通過鍵盤或控制端子的不同組合來確定，時間能夠精確到0.01 s，調頻的分辨率達到0.01 Hz，這主要是通過優(yōu)化的異步信號調制技術和DSP的高速處理能力來實現的。頻率斜坡函數的軟件實現如圖5所示，在此過程中，為了使輸出頻率與目標頻率嚴格一致，采取了一些細節(jié)處理，當加減速時間較短時，在加減速的過程中，每次頻率調節(jié)的data可能> 0.01 Hz，因此當目標頻率fn和被調節(jié)頻率fc之差駐f *與駐f不成整數倍時，會造成目標頻率與輸出頻率不一致。即

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

3.2 帶力矩補償的V/f曲線的實現

在電機的啟動過程中，由于電機阻抗壓降的影響，并不能保證電機為恒磁通，尤其在剛啟動時，電機的阻抗壓降更不能忽略。對于普通的通用變頻器而言，V/f控制曲線的設置是其核心功能，既可以事先設置好固定的帶轉矩提升可選擇的V/f曲線，也可以根據負載具體要求由用戶自己設置曲線模式。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

本系統(tǒng)中的故障保護是通過硬件中斷來實現的，由DSP的引腳PDPINTA向CPU申請中斷，CPU響應中斷后，首先關斷SVPWM 波形發(fā)生器，然后檢測中斷源，設置故障標志，通過通訊中斷及時向上位機送出故障類型。其流程如圖8所示。

3.4 直流制動功能的實現

采用直流制動控制的目的：一是準確停車控制，二是禁止在起動前電機由外因引起的不規(guī)則自由旋轉。直流制動即向異步電動機的定子通直流電，讓異步電機的定子磁場不再旋轉，轉動著的轉子切割這個靜止磁場而產生制動轉矩，使旋轉系統(tǒng)存儲的動能轉換成電能消耗于異步電動機的轉子回路中，此時異步電機處于能耗制動狀態(tài)。

直流制動時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6 個IGBT中的3個處于工作狀態(tài)，其余3 個一直處于關斷狀態(tài)，3個工作的管子應位于不同的橋臂，且在不同側，觸發(fā)信號的占空比可以根據調制度進行調節(jié);

2)在兩相繞組中通入直流電流，這時有2個位于不同橋臂的不同側的IGBT工作，其余功率管都處于關斷狀態(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電流方向相反，di/dt較大，產生沖擊電流，導致過電流保護誤跳閘的問題。為了避免出現定子電流反向，產生過電流，本系統(tǒng)直流制動過程采用矢量直流制動，根據異步電機旋轉磁場的產生機理和SVPWM追蹤磁鏈定向的脈寬調制策略，當頻率減速到直流制動頻率時，置直流制動標志位，SVPWM調制方式中的旋轉矢量停止，按當前的狀態(tài)來控制功率管的開關，并給定直流制動矢量電壓U(改變調制度)，然后開始直流制動計時，當直流制動時間到時，停止運行。直流制動軟件控制流程如圖9所示。

4 實驗結果

根據前面介紹的系統(tǒng)硬件電路和軟件控制算法，對制作的原理樣機進行了實驗研究。實驗測試了異步電動機輕載穩(wěn)態(tài)運行情況，以此來檢測原理樣機的可行性，對實驗結果進行了波形記錄。實驗用電機的參數為：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。

實驗過程測試了在不同頻率輸出時電機的電流，如圖10所示。從實驗波形可以看出，其輸出電流是正弦波，由于采用了死區(qū)補償，即使在低頻時，波形的畸變也不大。但從實驗波形也可看出，有諧波產生，產生諧波的原因主要來自以下幾個方面：

1)利用DSP產生的SVPWM波形，不能嚴格保證輸出的PWM 波形的面積與理想中相對應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)功率開關器件存在固有的開通與延時時間。

5 結語

通用變頻系統(tǒng)軟件主體部分已經調試完畢，實驗結果證明該軟件系統(tǒng)性能已滿足設計要求。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。下一步的工作是對現有程序進行改進，在提高程序通用性、可移植性的同時，改進部分程序的算法，以提高系統(tǒng)軟件的執(zhí)行效率。