引言

　　近年來，微處理器的迅猛發(fā)展使數(shù)字化的交 - 交變頻器在電力拖動中的應(yīng)用日益廣泛， 本文以TI公司的DSP芯片TMS320F240為來研究三相交-交變頻器的各種控制方案 , 并且比較了各自的優(yōu)缺點。AC/AC 變頻器是指直接將較高固定頻率的電壓變換為頻率較低而輸出電壓幅值可變的變換器。變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive），這可能是現(xiàn)代科技由中文反向譯為英文的為數(shù)不多實例之一。（但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display,真空熒光管，故這種譯法并不常用）。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機(jī)的電力傳動元件。變頻器在中、韓等亞洲地區(qū)受日本廠商影響而曾被稱作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。

　　本系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)包括主回路、 晶閘管驅(qū)動電路、I/O擴(kuò)展電路 、數(shù)據(jù)采集電路。捕獲中斷口 CAPINT1 每隔 60o（10/3ms） 捕捉電源的同步信號， PB3所處的狀態(tài)， 就可以確定相應(yīng)的同步波波頭值以判相定管。I/O 端口 PC0、PC1、PC2 檢測三相電流的過零檢測信號，當(dāng)過零信號有效時，進(jìn)入相應(yīng)的換組子程序 ,進(jìn)行換組。在觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時刻，這時將編碼通過數(shù)據(jù)總線輸出到I/O擴(kuò)展電路以觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。以此硬件電路作為基礎(chǔ)介紹了幾種控制方法編寫程序， 并比較了各自的優(yōu)缺點。

　　1 逐點比較法

　　圖1:比較法確定的換相時刻圖。

　　電網(wǎng)換相AC/AC變頻器的交流輸出電壓是由其各相輸入電壓波形的各個片段組合而成的。只要原先導(dǎo)通相u1比相繼導(dǎo)通相u2更接近要求輸出的理想電壓， ， 即（uR-u1）《（u2-uR） 得 uR《（u1+u2）/2,則u1應(yīng)繼續(xù)出現(xiàn)在輸出端。當(dāng) uR=（u1+u2）/2,則由u1轉(zhuǎn)換到u2.

　　以自然換相點作為起點 , 則

　　則

　　當(dāng)觸發(fā)角為a時，要求

　　因此，對于脈波的交-交變頻器，以各晶閘管觸發(fā)延遲角a=0為起點的一系列余弦同步電壓與理想輸出電壓的交點為觸發(fā)點，即可滿足輸出的電壓波形與正弦電壓相差的要求。

　　逐點比較法就是在DSP內(nèi)存中制作表格 ,用查表法產(chǎn)生同步波和基準(zhǔn)電壓波， 然后不斷地循環(huán)比較。只要DSP的采樣間隔取得足夠小 ,通過比較就可以得到的交點。

　　2 直線近似余弦交點法

　　查表法控制算法簡單，易于實現(xiàn)， 但占用很大的計算資源 , 大量的時間用于比較操作， 而一個輸出電壓周期中真正得到的交點很少 , 并且要達(dá)到一定的， 需大量表格， 內(nèi)存占用量較大。

　　為了避免 DSP不斷循環(huán)查表耗費(fèi)大量時間， 利用其CAPINT1捕獲公共同步信號， 每隔3.3ms 向DS申請中斷。 在中斷服務(wù)子程序中完成交點的計算程序得到觸發(fā)角對應(yīng)的定時值 ,并啟動計數(shù)器。 在余弦交點法的原理中用直線代替余弦波和電壓基準(zhǔn)波， 可以得到下面的圖形 ,如圖2所示 .

　　圖2:近似直線的同步波形和基準(zhǔn)波形。

　　波形簡化后，以基準(zhǔn)電壓正相過零點為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系。 設(shè)同步波的幅值為1, 基準(zhǔn)電壓波的幅值范圍為 [-1,+1].要輸出的電壓幅值和頻率給定后， 其波形的斜率為4rf, 同步波頻率不變 , 它的斜率是固定的200. 已知O點和觸發(fā)點P點的瞬時值分別為x,y, 則解直線方程組：

　　y=4rf （1）

　　y=200t+b （2）

　　可以求得 y=（50xrf）/（50rf）

　　ta=（1-y）/200

　　式中 ta 為延遲角 a 對應(yīng)的時刻。 將 DSP 的 TPINT1 周期設(shè)置為 Tmin=20/29ms 用來表示的定時單位 ta 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的定時量。 在 TPINT1 中斷中 , 給各個定時變量進(jìn)行減計數(shù)操作。 當(dāng)減計數(shù)值到零時， 立即根據(jù)波頭值觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。具體實現(xiàn)可見參考文獻(xiàn)。

　　3 規(guī)則采樣法

　　在余弦交點法實現(xiàn)的AC/AC變頻器中 , 有算法較為復(fù)雜和其輸出的基波電壓幅值較小的缺點。從采樣控制的角度看 ,對輸入基準(zhǔn)波的采樣值只是在交點處才是有效的 , 所以可以把各交點看成是采樣點？. 因此 , 采樣點是不等距、 不規(guī)則的。由此使得輸出波形的高次諧波成分加大。

　　規(guī)則采樣法是一種在采用微機(jī)實現(xiàn)時實用的PWM波形生成方法。規(guī)則采樣法是在自然采樣法的基礎(chǔ)上得出的。規(guī)則采樣法的基本思路是：取三角波載波兩個正峰值之間為一個采樣周期。使每個PWM脈沖的中點和三角波一周期的中點（即負(fù)峰點）重合，在三角波的負(fù)峰時刻對正弦信號波采樣而得到正弦波的值，用幅值與該正弦波值相等的一條水平直線近似代替正弦信號波，用該直線與三角波載波的交點代替正弦波與載波的交點，即可得出控制功率開關(guān)器件通斷的時刻。比起自然采樣法，規(guī)則采樣法的計算非常簡單，計算量大大減少，而效果接近自然采樣法，得到的SPWM波形仍然很接近正弦波，克服了自然采樣法難以在實時控制中在線計算，在工程中實際應(yīng)用不多的缺點。  如圖3所示 , 上部是一組橋的輸出電壓波形圖 , 下部是同步電壓和基準(zhǔn)電壓的波形圖。

　　圖3:基準(zhǔn)波采樣點和同步波觸發(fā)點。

　　系統(tǒng)在自然換相點采樣基準(zhǔn)波得到的采樣值 , 如圖中 1、2、3、------, 各點 , 然后按這些采樣值在同步電壓波上計算相應(yīng)的觸發(fā)控制角 , 如圖中1'、2'、3'、------,各點 . 這些點就是要求的換相點。

　　本系統(tǒng)采用給定基準(zhǔn)波幅值和頻率 , 然后查正弦表得到采樣點的基準(zhǔn)波瞬時值 .正弦函數(shù)按等時間間隔（3.3ms）離散化 , 依次存在 DSP 內(nèi)存的 256 個單元中 .DSP 響應(yīng)電源同步信號中斷 （ 即自然換相點 ）時 , 按步長A（ 即地址差 ） 查表 , 每查瞬時值， 將查表地址遞增 A. 當(dāng)查表地址遞增到 256 時便完成循環(huán) , 對應(yīng)的時間等于一個輸出周期 T0, 所以變頻器的輸出頻率與查表步長之間的關(guān)系為：

　　由上式可見 ,fo 與 A 成正比 , 改變 A 即可改變輸出頻率實現(xiàn)變頻。 查表得到的瞬時值乘以 K 值即可改變輸出電壓幅值 , 以實現(xiàn)變壓。 然后根據(jù)瞬時值查同步電壓波的反余弦函數(shù)表 , 得到觸發(fā)角的值 , 轉(zhuǎn)化成 DSP 的定時量。 定時到， 則觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。

　　為了使變頻器輸出對稱 , 三相給定的正弦函數(shù)互差 To/3, 并與各自的反組正弦函數(shù)波成軸對稱。 用表地址描述的時間軸即 0、To/3、To/2、To 時刻分別對應(yīng)于表地址：××00H、××55H、××7FH、××FFH.所以只需制作一張正弦函數(shù)表 , 三相查取給定電壓波瞬時值的地址始終互差 55H, 這樣就實現(xiàn)了三相對稱輸出。

　　4 實驗結(jié)果

　　圖4:阻感負(fù)載的電壓電流波形。

　　從實驗結(jié)果來看 , 采用此算法的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠 , 調(diào)制的頻率可按照設(shè)定要求輸出 , 電流過零死區(qū)小于 1ms, 滿足控制要求 , 電壓電流波形比前兩種控制策略所得波形更佳 , 并且由于規(guī)則采樣減少了輸出波形中的次諧波含量 , 從而可以擴(kuò)大 AC/AC 變頻器輸出頻率的上限。

參考文獻(xiàn):

[1]. TMS320F240 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TMS320F240_309662.html.
[2]. PB3 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PB3_1202138.html.