基于DSP控制的三相AC/AC變頻器控制方案的研究
引言
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。為了使輸出電壓的諧波減到最小，要求在交流傳動(dòng)中應(yīng)用的變頻器輸出電壓的波形盡可能接近于正弦 ， 那么就要對(duì)反并聯(lián)變換器的觸發(fā)延遲角連續(xù)進(jìn)行交變的相位調(diào)制。
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(dòng)中的應(yīng)用日益廣泛， 本文以TI公司的DSP芯片TMS320F240為核心來研究三相交-交變頻器的各種控制方案 ， 并且比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
本系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)包括主回路、 晶閘管驅(qū)動(dòng)電路、I/O擴(kuò)展電路 、數(shù)據(jù)采集電路。由數(shù)據(jù)采集電路產(chǎn)生換組的零電流信號(hào)和三相同步信號(hào)。捕獲中斷口 CAPINT1 每隔 60o（10/3ms） 捕捉電源的同步信號(hào)， 進(jìn)入同步信號(hào)中斷程序， 結(jié)合I/O端口 PB1、PB2、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(hào)，當(dāng)過零信號(hào)有效時(shí)，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(shí)刻，這時(shí)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(diǎn)。
1 逐點(diǎn)比較法
圖1：比較法確定的換相時(shí)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(gè)片段組合而成的。理想的調(diào)制方法應(yīng)能使輸出電壓的瞬時(shí)值與正弦波形的差值保持最小。 設(shè)要求輸出的基準(zhǔn)電壓
， 輸出的三相交流線電壓波形為 u1， u2， 如圖1所示。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。
， 輸出的三相交流線電壓波形為 u1， u2， 如圖1所示。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(diǎn)作為起點(diǎn) ， 則
則
當(dāng)觸發(fā)角為a時(shí)，要求
因此，對(duì)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(diǎn)的一系列余弦同步電壓與理想輸出電壓的交點(diǎn)為觸發(fā)點(diǎn)，即可滿足輸出的電壓波形與正弦電壓相差最小的要求。
逐點(diǎn)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。當(dāng)兩者的值相等時(shí)，立即觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。只要DSP的采樣間隔取得足夠小 ，通過比較就可以得到精確的交點(diǎn)。
2 直線近似余弦交點(diǎn)法
查表法控制算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)， 但占用很大的計(jì)算資源 ， 大量的時(shí)間用于比較操作， 而一個(gè)輸出電壓周期中真正得到的交點(diǎn)很少 ， 并且要達(dá)到一定的精度， 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(shí)間， 利用其CAPINT1捕獲公共同步信號(hào)， 每隔3.3ms 向DS申請(qǐng)中斷。 在中斷服務(wù)子程序中完成交點(diǎn)的計(jì)算程序得到觸發(fā)角對(duì)應(yīng)的定時(shí)值 ，并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。 在余弦交點(diǎn)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(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)和觸發(fā)點(diǎn)P點(diǎn)的瞬時(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)刻。 將 DSP 的 TPINT1 周期設(shè)置為 Tmin=20/29ms 用來表示最小的定時(shí)單位 ta 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的定時(shí)量。 在 TPINT1 中斷中 ， 給各個(gè)定時(shí)變量進(jìn)行減計(jì)數(shù)操作。 當(dāng)減計(jì)數(shù)值到零時(shí)， 立即根據(jù)波頭值觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。具體實(shí)現(xiàn)可見參考文獻(xiàn)。
3 規(guī)則采樣法
在余弦交點(diǎn)法實(shí)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(diǎn)。從采樣控制的角度看 ，對(duì)輸入基準(zhǔn)波的采樣值只是在交點(diǎn)處才是有效的 ， 所以可以把各交點(diǎn)看成是采樣點(diǎn)？。 因此 ， 采樣點(diǎn)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)則采樣法是在每個(gè)采樣點(diǎn)（選自然換相點(diǎn)）采樣基準(zhǔn)波電壓值 ， 然后計(jì)算由該電壓值所對(duì)應(yīng)的觸發(fā)控制角 ， 以該觸發(fā)角觸發(fā)下一相晶閘管。 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(diǎn)和同步波觸發(fā)點(diǎn)。
系統(tǒng)在自然換相點(diǎn)采樣基準(zhǔn)波得到的采樣值 ， 如圖中 1、2、3、------， 各點(diǎn) ， 然后按這些采樣值在同步電壓波上計(jì)算相應(yīng)的觸發(fā)控制角 ， 如圖中1‘、2’、3‘、------，各點(diǎn) 。 這些點(diǎn)就是要求的換相點(diǎn)。
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(diǎn)的基準(zhǔn)波瞬時(shí)值 。正弦函數(shù)按等時(shí)間間隔（3.3ms）離散化 ， 依次存在 DSP 內(nèi)存的 256 個(gè)單元中 。DSP 響應(yīng)電源同步信號(hào)中斷 （ 即自然換相點(diǎn) ）時(shí) ， 按步長A（ 即地址差 ） 查表 ， 每查一次瞬時(shí)值， 將查表地址遞增 A。 當(dāng)查表地址遞增到 256 時(shí)便完成一次循環(huán) ， 對(duì)應(yīng)的時(shí)間等于一個(gè)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(shí)現(xiàn)變頻。 查表得到的瞬時(shí)值乘以 K 值即可改變輸出電壓幅值 ， 以實(shí)現(xiàn)變壓。 然后根據(jù)瞬時(shí)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(shí)量。 定時(shí)到， 則觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。
為了使變頻器輸出對(duì)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(duì)稱。 用表地址描述的時(shí)間軸即 0、To/3、To/2、To 時(shí)刻分別對(duì)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(shí)值的地址始終互差 55H， 這樣就實(shí)現(xiàn)了三相對(duì)稱輸出。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖4：阻感負(fù)載的電壓電流波形。
從實(shí)驗(yàn)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。
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