目前数字处理（DSP）技术逐渐成熟，新一代DSP采用哈佛结构、流水线操作（即程序、数据存储器彼此独立），在每一时钟周期内完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作，从而大大减少了指令执行周期。另外，由于其特有的寄存器结构、功能强大的寻址方式、灵活的指令系统及其强大的浮点运算能力，使得DSP不仅运算能力较单片机有了较大的提高，而且在该处理器上更容易实现高级语言。其特殊的结构设计和超强的运算能力，使得以前需要硬件才能实现的功能可移植到DSP中以软件实现，也使得数字信号处理中的一些理论和算法得以实时实现。

1 数字控制变频器系统介绍

数字控制变频器系统主要由主电路和控制电路组成，主电路采用典型的电压型交－直－交通用变频器结构；控制电路主要包括DSP数字控制器，由DSP、驱动电路、检测电路、保护电路以及辅助电源电路组成。主电路和控制电路原理系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

1.1 主电路设计

数字控制变频器主电路［4］的原理结构图如图2所示，由滤波、整流、中间滤波、泵升吸收和逆变部分组成。输入功率级采用三相桥式不可控全波整流电路，整流输出经过中间环节大电容滤波，获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率管的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列。

整流电路将交流动力电变为直流电，本系统采用不可控全波整流模块6RI75G-120。为防止电网或逆变器等产生的尖峰电压对整流电路的冲击，在直流输出侧并联了一个可吸收高频电压的聚脂乙烯电容C4，取值为0.22 μF。整流电路输出的直流电压含有脉动成分，逆变部分产生的脉动电流及负载变化也为直流电压脉动，由C1、C2滤波，取值为450 V、470 μF；R2、R3为均压电阻，取值为5 W、100 kΩ；R1为充电限流电阻。启动变频器后经1 s～2 s，由J2继电器短路，以减少变频器正常工作时在中间直流环节上的功耗。逆变部分电路采用EUPEC的FF300R12KE3集成模块，其内部集成了2个IGBT单元，比较适合变频逆变驱动，其具体极限参数：集射极电压VCES=1 200 V ，结温80 ℃时集射极电流ICE=300 A，结温25 ℃时集射极电流ICE=480 A，允许过流600 A，时间为1 ms，功率损耗为1 450 W，门极驱动电压为±20 V。

如图2所示，TL、RL构成泵升电压吸收电路，当电机负载进入制动状态时，反馈电流将向中间直流回路电容充电，导致直流电压上升。当直流电压上升到一定值时，控制TL导通，使这部分能量消耗在电阻RL上，确保变频器可靠安全地工作。此外，由J1常闭触点与R4组成断电能量释放电路。当系统发生故障或关机时，继电器J1断电，通过其常开触点，将变频器与电网断开；而常闭触点闭合，利用R4为中间回路大电容所储存的能量提高释放通道。

图2 主电路原理结构图

1.2 基于DSP的控制电路设计

以TMS320F2812为核心的数字控制电路如图3所示。从图中可以看出，控制系统主要包括：DSP及其外围电路、信号检测与调理电路、驱动电路和保护电路。其中，信号检测与调理电路主要完成对图2输出电流和输出电压采样、A/D等功能，DSP产生脉冲信号，通过D/A转换后驱动功率开关管U1～U6。

图3 变频器数字控制系统框图

TMS320LF240片内集成了采样保持电路和模拟多路转换器的双十位A/D转换，为了尽量充分利用芯片资源，采用了片内A/D转换进行设计。使用双减法电流［6］采样电路，采样方案中的运算放大器是TLC2274。第一运放U8A的输出电压为：

其中R1=R2，R3=Rn，则：

同样，第二运放U8A的输出电压为：

从霍尔电流传感器输出的Ui=2.5±△V，此电压先后施加到由TLC2274构成的两个减法电路上，第一路以Ui减去传感器采样结果的中值参考电压Uref（2.5V），然后再线性放大到A/D采样所要求的电压范围；第二路则相反，再中值参考电压Uref减去传感器输出电压Ui，同样也线性放大到合适的电压范围。Z1、Z2为两个3.3V的稳压二极管，对运放输出电压起到限幅作用。当Ui值>Uref时，Uo1输出为正电压，且电压范围是0-3.3V，而由于二极管D2的存在使得电流不能注入到运放中，故而第二路运放不能输出负电压，而是钳位在0V；当Ui值<Uref时，Uo2输出为正电压。现样由于二极管D1在存在使得第一路运放不能输出负电压，也是钳位在0V。在一个正弦波周期内的某一时刻只会有一路信号输出，这比常规方法采样窗口要宽一倍，从而提高了采样精度。

由于电机启动时的电流非常大或因控制回路、驱动电路等误动作，造成输出电路短路等故障，导致过大的电流流过IGBT，且电流变化非常快，元件承受高电压、大电流，因此需要一种能快速检测出过大电流的电路。可以采用2SD315A自身检测和检测直流母线的双重检测以及在故障发生时，采用软、硬件同时封锁的方法。直流母线电压的变化，对整个逆变系统有较大的影响。当母线电压过低，电网输出不能达到系统要求时，需要尽快切断电源，防止对电机或者逆变系统造成破坏；相反，母线电压过高，很容易使功率驱动管烧毁。为有效地保护功率IGBT和直流滤波电容，系统设计了母线电压过欠压保护电路，故障检测原理如图4所示。图中6N138为一个线性光电隔离器，输出电压信号与母线电压成正比，当通过光电隔离器件后，可以直接供给DSP控制系统进行采样。同时，将输出Vlimit信号送至DSP，触发中断保护。

图4 故障检测原理图

1.3 系统控制算法软件实现

DSP数字控制能够实现较之模拟控制更为高级而且复杂的控制策略，与模拟控制电路相比较，数字控制电路拥有更多的优点。由数字PID代替传统的模拟PID具有设计周期短、灵活多变易的控制策略和电磁干扰小等优点。数字控制系统主程序图如图5所示，主程序模块主要功能是完成系统的初始化，PLL时钟的设定：DSP工作频率设为20 MHz；输入输出端口初始化。事件管理器初始化；定时器1、2、3的设定、全比较PWM单元设定、死区单元设定；QEP工作方式设定。中断管理初始化：中断除复位、NMI位，只允许PDPINT、中断3。PDPINT是功率设备保护中断，中断3用于系统完成控制算法。

图5 数字控制系统主程序图

2 实验结果及分析

试验条件：输入电压是三相交流380 V±15%，电机型号为Y160L-4，额定功率为15 kW，额定电压为380 V（Y型），额定电流为30 A，额定转速为1 440 rp。

为了验证数字控制用于调速的变频器的可行性，设计了基于TMS320F2812的试验机。系统输入电压为交流380 V，测量仪器为Agilent54622A示波器，高压探头衰减系数100：1，频率设定值为变频器液晶面板显示值。A、B两点的电压波形如图6、图7所示。以实验结果可以看出，设计方案具有一定的可行性。采用基于高速DSP的SPWM方式控制的逆变器，其输出的波形具有较好的正弦波，谐波优化程度高，大大减少了谐波损耗，提高了电压的利用率，增加了系统运转的平稳性。但由于没有结合波形控制技术，在带整流负载时的输出波形有一定的畸变。

图6 20.001HZ时A、B线电压波形

图7 14.99HZ时A、B线电压波形

数字控制变频器相对模拟控制变频器具有不可比拟的优势，如减少了体积和重量，提高了控制精度，方便维修升级。随着控制理论与实施手段不断完善以及DSP价格不断降低，数字控制变频器将成为重要的研究方向。