网站原创摘 要 ：文章以Tl公司的TMS320LF2407A型DSP为控制芯片,设计、制作了一种新型的单相正弦波变频电源.并将其应用于电动凿岩机的驱动电机的变频调速中,使之可以按照钻孔岩体的具体情况改变输出转速和转矩.经过验证,取得良好的预期效果.
关 键 词 ：DSP变频；电源设计；变频电源
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）08-0048-03
1.概述
1.1 问题的提出
电动凿岩机是建筑、水利、采矿等行业的重要设备.相对于传统的凿岩设备,电动凿岩机所具有的突出优点是节省能源,其电能利用率高达50%～60%,而常用气动凿岩机仅为10%,此外,电动凿岩机还有噪声低、工作面空气新鲜、无废气污染等优点,极大的改善了劳动条件.但目前使用的电动凿岩机也有明显缺点：对同样硬度的岩石,它的转速只有气动凿岩机的50%～60%.目前大多数电动设备直接使用交流工频电源（50HZ）,不能随着工作环境（岩石硬度、钻孔孔径、深度）改变输出转矩、转速,因此工作效率较低.为此,本文采用德州仪器公司的TMS320C2407DSP处理器设计一种新型的5KVA单相正弦波变频电源,通过输出可程控的交流电压,改变电动设备的输出转矩和转速.进而提高工作效率,改善电动设备的工作性能.
1.2 国内外研究现状
变频技术是国内外研究的一个热点.其原因一是由于市场需求.近年来,随着自动化技术程度的发展成熟和能源短缺问题日益突出,变频技术越来越得到重视,并广泛地应用.二是功率器件的发展.近年来各种高电压、大电流的功率器件的生产以及并联、串联技术的发展应用,使先进变频器的生产成为现实.三是现代控制理论和集成电子技术的发展.矢量控制、模糊控制等新的控制理论及神经网络技术为高性能的变频器研制提供了理论基础,而高速微处理器以及专用集成电路技术的快速发展,为实现变频器高精度、多功能提供了硬件平台.
目前国外的变频技术研究,以法、意、德、日等国领先.在大功率变频调速方面,法国的阿尔斯通公司、意大利的ABB公司分别研制出单机容量达数万千瓦的电气传动设备.在中功率变频调速技术方面,德国的西门子公司研制出的SimovertA电流型晶闸管变频调速设备和SimovertPGTOPWM变频调速设备,己实现全数字化控制；在小功率交流变频调速技术方面,日本的富士BJT变频器、IGBT变频器已形成系列产品,其控制系统也已实现全数字化.
国内研究方面,从总体上看我国变频调速的技术水平较国际先进水平有较大差距.目前在大功率交——交、无换向器电机等变频技术方面,国内虽有部分单位可研制生产,但在数字化程度及系统可靠性等方面还有待改进.对程控变频电源的理论和实践研究取得的成绩,可查主要有：王小薇、程永华对于基于DSP双环控制的逆变电源设计研究；余功军、钟彦儒、杨耕对IGBT变频器死区时间的补偿策略研究；程永华、杨成林、徐德鸿对于基于DSP变压变频电源设计研究；程曙、徐国卿、许哲雄对SPWM逆变器死区效应分析研究；赵勇对基于IGBT大功率变频电源的研究；李锋对基于DSP的SPWM变压变频电源的研究等.
同时由于目前我国采用的半导体功率器件和DSP等器件依然严重依赖进口,使得变频器的制造成本居高不下,无法形成有竞争力的产业,也是影响我国变频技术发展的一个主要原因.
2.基于DSP的新型单相正弦波变频电源设计
2.1 设计思路
本文以美国德州仪器公司的TMS320C2407DSP处理器为核心设计了一种新型的5KVA单相正弦波变频电源.通过输出不同频率、电压的电源信号,对异步电机的转速、转矩进行控制.从而实现了电动凿岩设备针对不同岩体提高钻孔效率的目的.该不安品电源的硬件部分主要由主电路、保护电路、控制电路等部分组成.主电路包括整流、滤波、逆变器、驱动电路等；保护电路包括过压欠压保护、限流启动、IPM故障保护、过流保护等；控制电路则主要包括DSP控制电路、PWM信号发生电路、A/D、D/A转换电路等.在软件方面,考虑到SVPWM控制算法比较适合于数字控制系统,本文编制了基于SVPWM控制算法的控制软件.经过工作现场试验结果表明,该系统可以在30—300Hz范围内均匀调速,在不同的负载情况下,具有较好的稳定性和较强的抗干扰能力.
2.2 硬件系统结构
本文设计变频电源的硬件系统以Tl公司的TMS320LF2407A型DSP为控制芯片,由主电路、保护电路、控制电路等组成,其原理结构图如图1.
图1 硬件系统原理结构图
其中主电路包括整流、滤波、逆变器驱动电路等组成.其工作原理是把单相交流电通过整流模块变为直流电,整流后的脉动电压再经过滤波电容平滑后成为稳定的直流电压.再由逆变电路对该直流电压进行斩波,形成电压和频率可调的单相交流电提供给异步电机.由于IPM是IGBT的功率集成电路,需要有专门的驱动电路,本文采用调压电路把电压抬高到15伏来进行驱动.系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护、过流保护等.控制电路包括DSP控制电路、PWM信号发生电路、A/D、D/A转换电路等.
2.3 整流和滤波电路
整流和滤波电路属于主电路的一部分,其结构图如图2所示.工作时,220V的交流电源经过四个二极管的全波整流,变为直流,其中电解电容C1为整流滤波电容,电阻R1为放电电阻,在断电情况下为C1提供放电回路,同时也为逆变器负载和直流电源之间的无功功率提供缓冲.
图2 整流和滤波电路
2.4 逆变电路设计
（a）逆变电路结构原理图（b）输出方波信号波形图
图3
本文即采用的是电压型逆变电路.因为本文设计变频电源主要应用在电动凿岩设备上的.所以我们采用的是单相全桥逆变电路.图3为单相电压桥式逆变电路的结构原理图及输出波形图.全控型开关器件T1和T4构成一对桥臂,T2和T3构成一对桥臂,T1和T4同时通、断；T2和T3同时通、断.T1（T4）与T2（T3）的驱动信号互补,即T1和T4有驱动信号时,T2和T3无驱动信号,反之亦然,两对桥臂各交替导通180°.从而得到需要的变频电压信号. 由于本变频电源主要应用电动凿岩设备方面,即一般情况下均是在在阻感负载下工作.因此在0≤θ≤ωt期间,T1和T4有驱动信号,由于电流i0为负值,T1和T4不导通,D1、D4导通起负载电流续流作用,u0等于+Ud.θ≤ωt≤π期间,i0为正值,T1和T4才导通.π≤ωt≤π+θ期间,T2和T3有驱动信号,由于电流i0为负值,T2、T3不导通,D2、D3导通起负载电流续流作用,u0等于-Ud.π+θ≤ωt≤2π期间,T2和T3才导通
2.5 电平转换设计
由于DSPTMS320LF2407是低功耗芯片,必须采用3.3V供电,与驱动主电路的电平不匹配,易引起事故,损坏芯片.故本实用新型设计中包含了电平转换设计.本文采用的驱动芯片M57959L本身具备隔离输入作用,因此在电平转换设计中不必要增设隔离电路.本实用新型采用I/O直接输出转换设计.
图4 采用M57959L的电平转换驱动电路
2.6 软件部分设计
控制算法的软件化为交流调速系统控制算法的选择、复用提供了方便.本设计基于TMS320LF2407A事件管理器,采用DSP自带的汇编语言编写软件CCS进行编写,系统的软件设计可简单分为两个部分：一个是系统的初始化模块,另一个是控制算法模块.其中初始化只在系统上电时执行一次,而控制算法模块包括SVPWM的生成,速度反馈信号的采样和处理等.系统的整在程序初始化之后进入主循环程序,DSP产生SVPWM使电机开始运行.其调用的频率与PWM的输出频率一致.系统软件流程图如图5所示.
3.应用实验及展望
本文所设计制作的5KVA单相正弦波变频电源,可输出30～300HZ交流电压.所制作的样品在湘西同力机械公司、武陵电化总厂金属包装厂经过多次实验表明,应用本文设计变频电源控制异步电动机工作时,在不同频率、不同负载情况下,输出转速和转矩可基本实现实时控制,具有较好的工作稳定性和抗干扰能力.
未来,将从两方面对本设计进行改进,一是将改进硬件结构设计,逐步增大电源容量；二是改进软件算法设计,实现变频电源的最优实时控制.
图5 系统软件流程图