关于TMS320F28335控制的高性能变频调速系统（2） 控制系统, Flash, 电源, 接口, 硬件

yuyang911220

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。
（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。
图4 时钟电路
（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。
图5  DSP复位电路
（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：
图6 电压检测电路
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。

回复 支持 反对
举报

哈哈

板凳
楼主| 发表于 2013-6-22 20:38:27 | 只看该作者 |楼主
系统的控制算法采用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。
本文基于VF控制模式，结合SVPWM算法，设计了用TMS320F28335实现的三相异步电机变频调速方案。
其算法框图如图7所示：
wps_clip_image-5653
图7  VF控制系统框图
在空载情况下的MATLAB仿真结果如下图所示，给定速度为900rpm，分别为转速和电流波形：
wps_clip_image-24567 wps_clip_image-8628
               （a）                               （b）
图8  （a）转速  （b）相电流
从仿真结果可以看出，电机动态响应良好，运行情况稳定，从理论上验证了该算法的可行性。
整流侧采用电压定向控制，这种策略类似于异步电机的矢量控制方式，将同步旋转坐标系定向在电网电压矢量上，通过控制电流矢量与电网电压矢量同向，来实现PWM 整流器的单位功率因数运行。