CN102801384A - 一种基于dsp的感应电机变频调速*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DSP的感应电机变频调速***，包括DSP主控模块、驱动电路模块及为所述DSP主控模块、驱动电路模块提供工作电压的电源模块；所述的驱动电路模块，用于将输入的交流电压转换成直流电压后，根据所述DSP主控模块输出的六路PWM脉冲控制信号控制所述直流电压逆变后输出至感应电机；所述DSP主控模块主要用于根据输入指令以及反馈的所述直流电压信号及逆变后电压信号输出所述PWM脉冲控制信号经光耦隔离后至所述驱动电路模块以及根据所述故障信号进行***故障保护。本发明通过采用DSP处理器来控制感应电机调速，因而本发明大大提高了感应电机调速控制的可靠性、稳定性，同时成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种感应电机变频调速***，具体地说是一种基于DSP的感应电机变频调速***。
背景技术
高性能调速试验装置的开发是当前传动领域研究的热点，这个行业目前主要被国外企业所垄断，国内企业和学校已经开始研究多年，但是实用性成果不多。国内的调速体统中控制手段使用最多的是恒压频比控制。变频调速不但可以满足生产工艺上以及生产技术改造上的要求还可以节约电能。在交流调速技术中，变频调速以其优异的调速性能和高效节能，广泛的应用范围等优点而被国内外认为最有发展前途的调速方式。把变频装置应用到风机、泵、压缩机等通用机械里，可以达到一个相当可观的节能效果。
功能强大的数字信号处理器DSP的推出，使得许多以前无法实现的控制方法都可以应用到实时控制***中。自数字信号处理器DSP出现以来，特别是随着控制理论的发展和高性能控制的需求，当一般的单片或多片微处理器不能满足复杂而先进的控制算法时，DSP就成为这种应用场合的首选器件。
因此，根据交流调速技术和开环电压/频率（V/F）控制技术，研究感应电机V/F变频调速***，利用数字信号处理器DSP设计一种感应电机的V/F变频调速控制***，以实现电机调速性能的改善很有必要，具有现实的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DSP的感应电机变频调速***，从而可以通过运用DSP处理器而实现电机调速性能的改善与提高。
为实现上述的目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于DSP的感应电机变频调速***，包括DSP主控模块、驱动电路模块及为所述DSP主控模块、驱动电路模块提供工作电压的电源模块；所述的驱动电路模块，用于将输入的交流电压转换成直流电压后，根据所述DSP主控模块输出的六路PWM脉冲控制信号控制所述直流电压逆变后输出至感应电机，同时将所述直流电压信号、逆变后电压信号以及所述驱动电路模块故障信号反馈给所述DSP主控模块；所述DSP主控模块，包括DSP处理器，与所述DSP处理器连接的时钟电路模块、JTAG仿真接口模块、扩展存储器、复位及看门口模块、通信模块、电机速度反馈模块、模拟量输入模块、数字量输出模块、电流采样与过流检测模块、CPLD逻辑控制模块以及显示模块，主要用于根据输入指令以及反馈的所述直流电压信号及逆变后电压信号输出所述PWM脉冲控制信号经光耦隔离后至所述驱动电路模块以及根据所述故障信号进行***故障保护。
所述的电机速度反馈模块采用增量式旋转光电编码器，与感应电动机同轴相连，所述DSP处理器通过所述增量式旋转光电编码器对感应电机的转速进行采样检测并输出显示。
所述的DSP处理器为TMS320F2812。
所述的模拟量输入模块通过一外接可调电位器给定模拟量输入。
所述的驱动电路模块包括整流滤波模块、逆变模块、光耦隔离模块以及输出电压检测模块：
所述整流滤波模块，采用三相不可控全桥整流电路，用于将交流电压整流成直流电压滤波后输出；
所述逆变模块，包含智能功率模块IPM，用于根据所述DSP主控模块输出的PWM脉冲控制信号控制所述直流电压逆变后再经所述光耦隔离模块进行隔离后输出至感应电机，同时反馈IPM故障信号至所述DSP主控模块；
所述输出电压检测模块，包括母线电压检测电路及相电流检测电路，用于检测并反馈所述整流滤波模块输出的直流电压信号和所述逆变模块输出的交流电压信号至所述DSP主控模块。
所述的智能功率模块IPM采用50RSA120。
所述的三相整流桥电路采用集成模块6R130G-160。
本发明采用的DSP处理器由于集中了电动机控制所必须的可增加死区和灵活多变的多路PWM信号发生器以及用于电机速度反馈的编码器接口等电路，可支持电机转向、指令产生、控制算法的处理、数据交流和***监控等功能，因而本发明大大提高了感应电机调速控制的可靠性、稳定性，同时成本低。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的基于DSP的感应电机变频调速***的结构示意图；
图2所示为本发明实施例提供的电源模块与DSP主控模块及驱动电路模块的连接示意图；
图3所示为本发明实施例提供的电源模块的电路原理图；
图4所示为时钟电路电路原理图；
图5所示为JTAG仿真接口的接线图；
图6所示为DSP主控模块与电源模块的连接接口示意图；
图7所示为电源转换芯片TPS767D318接线示意图；
图8所示为外部存储器与DSP芯片的接线示意图；
图9所示为复位和看门口模块的电路原理图；
图10所示为PWM波光耦隔离电路的电路连接示意图；
图11所示为通信串口电平转换电路的电路原理图；
图12~13所示为通信串口的串口收发光耦电路的电路原理图；
图14所示为主控模块与编码器接口的接线示意图；
图15所示为编码器供电电路的电路原理图；
图16~17所示为编码器反馈电路的电路原理图；
图18所示为模拟量输入模块的电路原理图；
图19所示为模拟量输入模块的10伏电压转换芯片的接线示意图；
图20~21所示为数字量输出电路的电路原理图；
图22~23所示为电流采样和过流检测电路的电路原理图；
图24所示为CPLD逻辑电路与DSP的接线图；
图22~26所示为写入程序后可编程逻辑器件的逻辑控制示意图；
图27所示为DSP主控模块的主控制程序的流程示意图；
图28~29所示为DSP主控模块的A/D采样处理流程示意图；
图30所示为DSP主控模块的SVPWM处理流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
参见图1，该图示出了本发明实施例提供的基于DSP的感应电机变频调速***结构。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例有关的部分。
一种基于DSP的感应电机变频调速***，包括DSP主控模块、驱动电路模块及为所述DSP主控模块、驱动电路模块提供工作电压的电源模块；所述的驱动电路模块，用于将输入的交流电压转换成直流电压后，根据所述DSP主控模块输出的六路PWM脉冲控制信号控制所述直流电压逆变后输出至感应电机，同时将所述直流电压信号、逆变后电压信号以及所述驱动电路模块故障信号反馈给所述DSP主控模块；所述DSP主控模块，包括DSP处理器，与所述DSP处理器连接的时钟电路模块、JTAG仿真接口模块、扩展存储器、复位及看门口模块、通信模块、电机速度反馈模块、模拟量输入模块、数字量输出模块、电流采样与过流检测模块、CPLD逻辑控制模块以及显示模块，主要用于根据输入指令以及反馈的所述直流电压信号及逆变后电压信号输出所述PWM脉冲控制信号经光耦隔离电路后至所述驱动电路模块以及根据所述故障信号进行***故障保护。
所述的电机速度反馈模块采用增量式旋转光电编码器，与感应电动机同轴相连，所述DSP处理器通过所述增量式旋转光电编码器对感应电机的转速进行采样检测并输出显示。
所述的DSP处理器为TMS320F2812。
所述的模拟量输入模块通过一外接可调电位器给定模拟量输入。
所述的驱动电路模块包括整流滤波模块、逆变模块、光耦隔离模块以及输出电压检测模块：
所述整流滤波模块，采用三相不可控全桥整流电路，用于将交流电压整流成直流电压滤波后输出；
所述逆变模块，包含智能功率模块IPM，用于根据所述DSP主控模块输出的PWM脉冲控制信号控制所述直流电压逆变后再经所述光耦隔离模块进行隔离后输出至感应电机，同时反馈IPM故障信号至所述DSP主控模块；
所述输出电压检测模块，包括母线电压检测电路及相电流检测电路，用于检测并反馈所述整流滤波模块输出的直流电压信号和所述逆变模块输出的交流电压信号至所述DSP主控模块。
所述的智能功率模块IPM采用50RSA120。由于智能功率模块IPM具有短路、欠压、过热检测电路及保护功能，当发生故障时，智能功率模块IPM锁存内部6只ICBT功率管，同时将故障信号发送至DSP的功率保护中断引脚；DSP立即锁存PWM波形的输出，并向DSP发送功率保护中断请求。
所述的三相整流桥电路采用集成模块6R130G-160。
本发明通过所述的DSP主控模块采用RS232通信接口和RS485通信接口与PC机通信。DSP主控模块上的模拟量输入模块以及数字量输出模块为多路，模拟量输入可通过外部给定，模拟量输入、数字量输出均具有隔离功能，其中，模拟量输入采用线性光耦隔离，数字量输出采用光耦隔离。
所述的驱动电路模块采用交直交变频的思想，并应用智能功率模块IPM作为逆变模块。软件上，可利用CCS软件编写程序，仿真器将软件程序固化至DSP处理器中的Flash调试。DSP采用TMS320F2812芯片，采用恒压频比策略控制转速，控制算法是SVPWM程序。
DSP作为主控制器，主要用于配合功率模块驱动、保护电路、信号处理、电源等***电路完成对感应电机调速***的信号采集、处理，***保护以及电机调速等基本功能。通过设置给定转速，用TMS320F2812产生PWM脉冲信号控制感应电机转速，采用光电编码器对感应电机的转速进行采样检测，并显示采样后得到的结果。PWM波发生模块输出通过接口连接到电机驱动电路模块，作为逆变模块的触发信号；逆变模块通过电路把IPM故障信号综合后送入DSP主控模块，进行故障保护。逆变模块根据调制要求，调制成需要的电压输出到感应电机。
下面对本发明所述的各模块结合实施例进行详细说明如下。
一、电源模块
电模模块用于向DSP主控模块和驱动电路模块提供各种电源，如+5V、+15V、-15V等，其与DSP主控模块和驱动电路模块的连接关系如图2所示，所述的电源模块的电路原理见图3所示。
交流电经 
型滤波经过整流桥整流，整流后再进行电容滤波。其中整流芯片用的是KBPC1010，其全桥的正向额定电流为10A，最高耐压值为1000V。此外在220v交流电源的火线端加一个保险，零线上加以热敏电阻，然后经过
型滤波，防止整流桥产生的高次谐波反向传送入电网，经整流滤波后通过TOP246Y电源转换芯片产生多路电压输出。
二、驱动电路模块
驱动电路模块采用交直交变频原理，逆变部分采用智能功率模块IPM，通过来自DSP主控模块的6路PWM波信号控制逆变输出；此外，还完成测量功能：1、整流侧的母线直流电压。2、两相相电流。
（1）整流电路
采用三相桥整流电路，选用集成模块做三相桥整流，型号为6R130G-160。
（2）逆变电路
选用智能功率模块IPM50RSA120，IPM将IGBT及其辅助器件、保护和驱动电路集成在一块，简化逆变电路的设计。
（3）光耦隔离电路
输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。在驱动电路中采用的光耦隔离芯片是HCPL4504和TLP271。
（4）检测电路
测量直流母线电压和两路相电流。电机采用Y型接法，根据对称性，只需测量两路电流，根据
，得到另外一路电流。
三、DSP主控模块
1、时钟电路
DSP芯片需要一路时钟输入信号，作为DSP内核、片内外设以及外部接口的时钟源。时钟电路如图4所示。该电路为无源晶体配置方式，其中晶振频率为30MHz，晶振两端分别连接DSP芯片TMS320F2812的X1/XCLKIN和X2端。
2、标准JTAG仿真接口
用于在边界扫描时，对含有JTAG逻辑的集成电路芯片边界引脚通过软件完全控制和扫描观测其状态。其原理是：在该JTAG逻辑的集成电路芯片的输入/输出引脚内部配置存储单元，用来保存引脚状态，并在内部将这些存储单元连在一起，并通过一个输入脚TDI引入和一个输出脚TDO引出。在正常情况下，这些存储单元是不工作的，在测试模式下存储单元存储输入/输出口状态，并在测试存储口的控制下输入/输出。设计的标准JTAG仿真接口如图5所示。将此插座与仿真器电缆相连即可对DSP***进行代码下载、实时仿真、调试、Flash编程等操作。其中EMU0和EMU1必须接上拉电阻。
3、DSP主控模块与电源模块的连接接口如图6所示。电源模块给DSP主控模块提供了+5V、+15V、-15V、+24V四路电源。而DSP芯片需要内核电源VDD，内核电源电压为+1.8V，用于为器件的内部逻辑电路提供电源。I/O供电电源VDDIO、模拟电路电源VDDA需要+3.3V。因此需要电源转换芯片。在该电路中采用TPS767D318电源转换芯片，TPS767D318芯片的接线如图7所示。
4、存储器模块
采用芯片CY7C1021扩展外部存储器，该芯片是64K的SRAM，访问周期为12ns，采用3.3V供电。CY7C1021提供了独立的高/低字节选通信号，当片选信号无效时，芯片自动进入节电模式以降低功耗。由于直接利用
作为片选信号，而高地址A16~A18未参与译码，因此SRAM的地址是不唯一的。通常选取A16~A18=000，这样SRAM存储器的地址范围为0x100000~0x10FFFF。此外还用了16K的EEPROM芯片24LC16B。芯片24LC16B与DSP芯片的接线如图8所示。
5、复位和看门口模块
利用看门狗模块监视***软件和硬件的运行，可以按照用户设定的时间间隔产生中断或复位***。如果软件进入非正常循环或运行到非法的程序空间，使得***无法正常工作，那么看门狗定时器的计数器上溢，可以产生一个中断或复位信号，使得***进入用户预先设定的状态。该模块采用芯片TPS3823-33，当Vdd接+3.3V，即满足Vdd>VIT，可知当按下复位按钮时， 
为低电平， 
为低电平，送至DSP的
引脚，复位有效。电路接法如图9所示。
6、PWM波光耦隔离电路
PWM波虽然是通过DSP数字处理器芯片实现，但其传送到驱动电路模块作为IPM中IGBT的驱动信号需要光耦隔离，光耦隔离采用芯片74LVC245A。其中DIR是控制数据传送的方向。电路连接如图10所示。
7、通信模块
DSP处理器TMS320F2812的SCI串行通信接口是一个标准的通用异步接收/发送器，每个SCI有两个外部引脚，即数据发送引脚SCITXD和数据接收引脚SCIRXD，采用低速外设时钟LSPCLK作为时钟源，具有独立的发送中断TXINT和接收中断RXINT。RS-232C的电平规范采用负逻辑电平，-3~-15V为逻辑“1”，+3~+15V为逻辑“0”。需要专门的电平装换芯片将TTL或COMS逻辑电平转化为RS-232C的标准电平。图11为电平转换电路。图12~13为串口收发光耦电路图。
8、电机速度反馈模块
测速原理是将旋转增量式编码器与电动机同轴相连，当电动机转动时，带动编码器旋转。作为编码器中的一种，旋转增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，通过记录编码器在一定时间间隔内发出的脉冲数，可以推算出这段时间的转速。主控模块与编码器接口插座如图14所示。图15 是编码器供电电路：采用的电源芯片DCP01B，即+5V转+5V的电源芯片。
利用光耦芯片DCP01B为编码器提供了+5V的电源，可以看到其相对地是GND2。从编码器采样的信号A1、B1、C1先经过光耦芯片TLP113，后经过芯片SN74HC04提高带负载能力，最终得到6路捕获信号交由DSP处理。接线如图16和图17所示。
9、模拟量输入模块
设计了两路模拟量输入AI1和AI2。通过外接可调电位器给定模拟量，并经过图18所示电路处理送至DSP处理芯片的ADCINB6和ADCINB7引脚。
其中ADG408为多路选择开关，通过A2~A0的不同取值，选择传送S1~S8的数据。图17中A0悬空，即为高电平1。F2812的C4TRIP和C5TRIP管脚若设为数字I/O模式，输出0，那么A2A1A0组合为001，即选择了S1，即AI1传送到D8端。D8输出的模拟量经过光耦芯片HCNR200后送至运放TLV2252。输出送至ADCINB6~ADCINB7引脚，由DSP内部AD模块电路处理。S1经上拉电阻接于+10V，目的是通道校验。而+10V则由芯片REF01C转化而来。
10、数字量输出电路
通过两个键（正转及反转按钮）控制电机的正反转，电路连接如图20和图21所示。
11、电流采样和过流检测电路
由图22可知，集成运放LF353组成一个积分滤波电路，由驱动电路模块来的电流信号CURRENT送至运放的输入端，经过两个1K电阻并联后还可转换为电压信号M1。参见图23，TLV2254是极低功耗运算放大器， C1、C2再经过此放大，可提高输入电阻，增加放大倍数，输出端送至DSP的引脚ADCINA4和ADCINA5。
12、CPLD逻辑电路
需要设计相关逻辑保护电路，选用可编程逻辑器件EPM3032进行整个逻辑控制。图24是CPLD逻辑电路与DSP的接线图。
写入程序后，可编程逻辑器件EPM3032的逻辑如图25、26所示。
从逻辑图可知当***产生故障信号ERROR时（或过流），即ERROR为1，（或GL为1），信号经反相器和若干个与门后，可以得到PDPINTA和PDPINTB逻辑为0，而功率模块保护输入PDPINTA和PDPINTB低有效，这将使PWM输出端口为高阻态，从而保护电路。而OE的信号此时为1，OE是低有效，这将导致光耦芯片无法工作，故PWM信号不能正常传递。C2TRIP和C3TRIP作为输入输出端口用，当逻辑为低电平，过流指示灯和正常指示灯将亮。
四、控制程序
控制程序包括：事件管理器下溢中断程序，基本外设初始化子程序、模拟量采样子程序、开启和断开继电器子程序、恒压频比控制子程序、角度正余弦值查表函数等。DSP主控模块从ADC的结果寄存器中读取给定频率、电机电流和直流测电压。图27示出了DSP的主控制的流程示意图。
DSP的事件管理器的通用定时器1的下溢中断程序中处理的是整个程序的核心，包括采样数据的读取，处理和更新PWM波形。事件管理器的功率保护中断是用来处理在电机运转时的过流从而封锁PWM输出。
每个事件管理器都有一个正交编码脉冲QEP电路，如果QEP电路被使能，可以对CAP1/QEP1和CAP2/QEP2或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4引脚上的正交编码脉冲进行解码和计数。QEP电路可以与一个光电编码器接口获得旋转电机的位置和速度等信息。A/D采样控制程序见图28、29.
通过改变模拟电压值，经采样送至DSP进行SVPWM处理后，产生6路PWM驱动信号，从而改变逆变侧U、V、W的电压，控制电机转速。转速随给定值改变而变。如图30所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于DSP的感应电机变频调速***，其特征在于，包括DSP主控模块、驱动电路模块及为所述DSP主控模块、驱动电路模块提供工作电压的电源模块；所述的驱动电路模块，用于将输入的交流电压转换成直流电压后，根据所述DSP主控模块输出的六路PWM脉冲控制信号控制所述直流电压逆变后输出至感应电机，同时将所述直流电压信号、逆变后电压信号以及所述驱动电路模块故障信号反馈给所述DSP主控模块；所述DSP主控模块，包括DSP处理器，与所述DSP处理器连接的时钟电路模块、JTAG仿真接口模块、扩展存储器、复位及看门口模块、通信模块、电机速度反馈模块、模拟量输入模块、数字量输出模块、电流采样与过流检测模块、CPLD逻辑控制模块以及显示模块，主要用于根据输入指令以及反馈的所述直流电压信号及逆变后电压信号输出所述PWM脉冲控制信号经光耦隔离后至所述驱动电路模块以及根据所述故障信号进行***故障保护。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的感应电机变频调速***，其特征在于，所述的电机速度反馈模块采用增量式旋转光电编码器，与感应电动机同轴相连，所述DSP处理器通过所述增量式旋转光电编码器对感应电机的转速进行采样检测并输出显示。
3.根据权利要求1所述的基于DSP的感应电机变频调速***，其特征在于，所述的DSP处理器为TMS320F2812。
4.根据权利要求1所述的基于DSP的感应电机变频调速***，其特征在于，所述的模拟量输入模块通过一外接可调电位器给定模拟量输入。
5.根据权利要求1~4任一项所述的基于DSP的感应电机变频调速***，其特征在于，所述的驱动电路模块包括整流滤波模块、逆变模块、光耦隔离模块以及输出电压检测模块：
所述整流滤波模块，采用三相不可控全桥整流电路，用于将交流电压整流成直流电压滤波后输出；
所述逆变模块，包含智能功率模块IPM，用于根据所述DSP主控模块输出的PWM脉冲控制信号控制所述直流电压逆变后再经所述光耦隔离模块进行隔离后输出至感应电机，同时反馈IPM故障信号至所述DSP主控模块；
所述输出电压检测模块，包括母线电压检测电路及相电流检测电路，用于检测并反馈所述整流滤波模块输出的直流电压信号和所述逆变模块输出的交流电压信号至所述DSP主控模块。
6.根据权利要求5所述的基于DSP的感应电机变频调速***，其特征在于，所述的智能功率模块IPM采用50RSA120。
7.根据权利要求5所述的基于DSP的感应电机变频调速***，其特征在于，所述的三相整流桥电路采用集成模块6R130G-160。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121128 |