專利名稱：基于dsp的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變頻調(diào)速電路，特別是一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平 變頻器的變頻調(diào)速電路及其工作方法。
(二)
背景技術(shù)：
電能是當(dāng)前人類文明發(fā)展的動(dòng)力，也是當(dāng)前衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)展與人 民生活的一個(gè)重要指標(biāo)。我國(guó)的電能生產(chǎn)與發(fā)展已經(jīng)名列世界前茅，但 仍不能滿足工業(yè)生產(chǎn)和人民生活提高的需要，其中一個(gè)主要原因就是電 能的浪費(fèi)現(xiàn)象很嚴(yán)重，因此變頻調(diào)速電路以其優(yōu)異的節(jié)電性能越來(lái)越受 到人們的重視。變頻調(diào)速是一種比較理想的調(diào)速方法，其調(diào)速性能優(yōu)良、 效率高，是交流調(diào)速電路的主要發(fā)展方向。進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速改造， 可以降低電路能耗、優(yōu)化電路的整體性能,為企業(yè)贏得可觀的經(jīng)濟(jì)效益； 同時(shí)可以節(jié)約資源、減少環(huán)境污染、優(yōu)化工作環(huán)境等，具有很好的社會(huì)經(jīng) 濟(jì)效益。在變頻調(diào)速電路中，變頻器是其核心部件，整個(gè)電路是通過它 完成所需完成的任務(wù)，以達(dá)到節(jié)約電能，保護(hù)環(huán)境的目的。目前，國(guó)內(nèi) 外的變頻器，尤其是中小容量的變頻器，仍然采用兩電平逆變器的主電 路結(jié)構(gòu)，其輸出的電壓波形質(zhì)量不是很理想，特別是對(duì)于一些要求精度 較高的場(chǎng)合，急需一種輸出電壓質(zhì)量高、開關(guān)損耗小的新型變頻器。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路及 其工作方法，它結(jié)合高性能的信號(hào)處理器(DSP)和先進(jìn)的電力電子技術(shù) (級(jí)聯(lián)多電平技術(shù))，構(gòu)造出一種新型的適用于工作在較高精度要求場(chǎng) 合的新型變頻調(diào)速電路，以獲得快速、高精度的效果，并且其輸出諧波 含量低，波形畸變率(THD)小，開關(guān)器件IGBT開關(guān)次數(shù)少，dv/dt小，開關(guān) 損耗小，市場(chǎng)前景非常廣闊。
本發(fā)明的技術(shù)方案 一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路，其 特征在于它是由移相變壓器、變頻器主電路、檢測(cè)電路、控制電路組 成；其中，移相變壓器的輸入端連接工頻電，移相變壓器的輸出端連接 變頻器主電路的輸入端；變頻器主電路的輸出端分別連接到檢測(cè)電路輸 入端和異步電機(jī)；檢測(cè)電路輸出端連接控制電路輸入端，控制電路輸出 端連接到變頻器主電路。上述所說(shuō)的變頻器主電路由6個(gè)功率單元組成，每個(gè)功率單元均是
一個(gè)單相輸出的AC/DC/AC變頻器，相鄰的2個(gè)功率單元的輸出端級(jí)聯(lián)組 成一相，三相以星形結(jié)構(gòu)連接；控制電路輸出端分別連接到變頻器主電 路中的每個(gè)功率單元。
上述所說(shuō)的控制電路采用三級(jí)結(jié)構(gòu)，頂層由一片DSP芯片組成，中 間層由兩片CPLD芯片組成，底層由4片CPLD芯片、2片A/D轉(zhuǎn)換模塊、 1片D/A轉(zhuǎn)換模塊以及2片先進(jìn)先出FIF0芯片組成；其中，頂層的DSP 芯片的輸入端連接到負(fù)責(zé)譯碼、控制D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、FIF0讀寫的 中間層第一片CPLD芯片的輸出端，頂層的DSP芯片的輸出端連接到負(fù)責(zé) PWM脈寬分配和發(fā)出脈沖輸出與故障保護(hù)中斷請(qǐng)求的中間層第二片CPLD 芯片的輸入端；中間層的第一片CPLD芯片的輸入端分別連接底層的2片 先進(jìn)先出FIFO芯片的輸出端、2片A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端和1片D/A轉(zhuǎn) 換模塊的輸出端；檢測(cè)信號(hào)分別輸入到底層的2片先進(jìn)先出FIFO芯片的 輸入端、2片A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端和1片D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；中 間層第二片CPLD芯片的輸出端分別連接底層的4片CPLD芯片的輸入端， 底層的4片CPLD芯片的輸出端輸出控制信號(hào)。 上述所說(shuō)的DSP芯片采用TMS320C32型號(hào)。
上述所說(shuō)的控制電路的中間層的2片CPLD芯片分別釆用CY30785P84 型號(hào)和CY37064P84型號(hào)；所說(shuō)的控制電路的底層的4片CPLD芯片均采 用CY37064P84型號(hào)。
上述所說(shuō)的控制電路的A/D轉(zhuǎn)換模塊采用AD7684型號(hào)。 上述所說(shuō)的控制電路的D/A轉(zhuǎn)換模塊采用DAC4813型號(hào)。 上述所說(shuō)的控制電路的先進(jìn)先出FIFO芯片采用CY7C425型號(hào)。 一種上述基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路的工作方法，其特征 在于它包括以下階段
(1) 檢測(cè)階段檢測(cè)電路把檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過3/2變換，變?yōu)閿?shù) 字量信號(hào)送入到以DSP為核心的控制電路中；
(2) 軟件控制階段以DSP為核心的控制電路根據(jù)輸入量按照選 定的控制規(guī)律計(jì)算出輸出PWM脈沖，控制功率開關(guān)器件的觸發(fā)角和關(guān)斷 角，使各個(gè)功率單元輸出相位、幅值完全相同的電壓；
(3) 硬件工作階段各個(gè)功率單元輸出的電壓經(jīng)過疊加形成不同 頻率和幅值的正弦電壓，直接輸出供給電動(dòng)機(jī)。
5本發(fā)明的工作原理為電網(wǎng)給移向變壓器供電，經(jīng)過變壓器的降壓，
再給6個(gè)功率模塊(單相輸出的AC/DC/AC變頻器)供電，相鄰的2個(gè)模
塊的輸出端級(jí)聯(lián)組成一相，三相以星形結(jié)構(gòu)連接；各單元在控制器的控 制下輸出PWM脈沖，由于這些參與疊加的P麗調(diào)制波共用一個(gè)正弦波， 相鄰2個(gè)單元P麗產(chǎn)生的載波相差90。，產(chǎn)生的基波電壓的相位、幅值 完全相同，經(jīng)過疊加形成正弦電壓，直接輸出供給電機(jī)；本發(fā)明具有以 下各項(xiàng)功能數(shù)據(jù)采集、變頻控制、順序控制、人機(jī)交互、故障診斷、 故障保護(hù)、故障告警、通訊接口、存儲(chǔ)功能。
中央處理器DSP應(yīng)用軟件通常選用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言，并從變頻器
的控制功能框圖和狀態(tài)變化過程入手進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，其程序編寫過程包
括以下幾個(gè)步驟
(1) 編寫數(shù)據(jù)字典對(duì)數(shù)據(jù)變量定義與管理從電路功能框圖的計(jì)算公 式、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖提取數(shù)據(jù)，把所有與電路相關(guān)的數(shù)據(jù)元素分類列表，并且 對(duì)這些變量進(jìn)行嚴(yán)格的定義，準(zhǔn)確限定變量屬性。在數(shù)據(jù)字典編寫時(shí)主要 包括變量名稱、文字描述、數(shù)據(jù)類型、使用范圍、變量數(shù)值來(lái)源、數(shù)值 定義域等內(nèi)容；
(2) 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模塊之間調(diào)度按照軟件工程方法，將軟件劃分 為多個(gè)功能模塊。劃分的原則是強(qiáng)內(nèi)聚、松耦合。方塊表示軟件功能模 塊，箭頭表示數(shù)據(jù)流動(dòng)方向，實(shí)心箭頭表示控制信息流動(dòng)方向，層次表示 調(diào)用關(guān)系，其中，在同一層的功能模塊左邊首先被調(diào)用。經(jīng)過分析比較，
控制參數(shù)計(jì)算、PWM脈寬計(jì)算與輸出控制、硬件檢測(cè)故障告警與故障保
護(hù)動(dòng)作、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的實(shí)時(shí)性要求較高，宜釆用中斷調(diào)用。優(yōu)先等級(jí)
劃分為:故障保護(hù)動(dòng)作、PWM脈寬計(jì)算與輸出控制、數(shù)據(jù)收發(fā)。INTO中斷 優(yōu)先級(jí)最高,故障保護(hù)和脈沖輸出公用，由脈沖分配CPLD請(qǐng)求，在服務(wù)程 序內(nèi)通過相關(guān)標(biāo)志變量決定進(jìn)行服務(wù)的對(duì)象，故障中斷服務(wù)優(yōu)先；DSP 自帶串口中斷不使用，串口通訊使用ST16C552芯片管理，數(shù)據(jù)收發(fā)公用 一個(gè)外部中斷INT2，由ST16C552發(fā)出中斷請(qǐng)求，在中斷服務(wù)程序中通過 讀取該芯片內(nèi)的中斷狀態(tài)寄存器，決定服務(wù)對(duì)象。TimeO中斷優(yōu)先級(jí)最低， 負(fù)責(zé)調(diào)用控制計(jì)算與數(shù)據(jù)釆集、狀態(tài)轉(zhuǎn)換程序模塊，這些內(nèi)容較多,多個(gè) TimeO中斷分次分批完成。為了保證故障保護(hù)與脈沖輸出實(shí)時(shí)性,除故障 中斷與脈沖輸出周期中斷服務(wù)除外，所有中斷服務(wù)必須能嵌套中斷；
(3)軟件模塊過程設(shè)計(jì)與代碼編寫依據(jù)子程序模塊功能與子程序 接口，分析設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)詳細(xì)流程，逐步求精，細(xì)化到每一個(gè)框圖可以用一條計(jì)算機(jī)指令實(shí)現(xiàn)為止，然后采用標(biāo)準(zhǔn)流程圖表示出來(lái)，就可以得到程 序代碼編寫藍(lán)圖。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于①利用高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)及先 進(jìn)的電力電子技術(shù)(級(jí)聯(lián)多電平技術(shù))實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路， 可在很大程度上提高變頻器輸出電壓的電能質(zhì)量，使得電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速
度和精度也有很大程度的提高；②減少了輸出電壓的諧波含量和du/dt; ③逆變器的開關(guān)管工作在低壓低頻(或工頻)狀態(tài)，開關(guān)損耗及EMI較
小，效率較高，是一種具有很大市場(chǎng)前景的新一代變頻調(diào)速電路。
(四)


附圖1為本發(fā)明所涉一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路的系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
附圖2為本發(fā)明所涉一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路的變 頻器主電路拓?fù)鋱D。
附圖3為本發(fā)明所涉一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路的控 制電路結(jié)構(gòu)框圖。
附圖4為本發(fā)明所涉一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路的控 制電路功能框圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例 一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路(見附圖l)， 其特征在于它是由移相變壓器、變頻器主電路、檢測(cè)電路、控制電路 組成；其中，移相變壓器的輸入端連接工頻電，移相變壓器的輸出端連 接變頻器主電路的輸入端；變頻器主電路的輸出端分別連接到檢測(cè)電路 輸入端和異步電機(jī)；檢測(cè)電路輸出端連接控制電路輸入端，控制電路輸 出端連接到變頻器主電路。
上述所說(shuō)的變頻器主電路(見附圖l、 2)由6個(gè)功率單元組成，每 個(gè)功率單元均是一個(gè)單相輸出的AC/DC/AC變頻器，相鄰的2個(gè)功率單元 的輸出端級(jí)聯(lián)組成一相，三相以星形結(jié)構(gòu)連接；控制電路輸出端分別連 接到變頻器主電路中的每個(gè)功率單元。
上述所說(shuō)的控制電路(見附圖3、 4)采用三級(jí)結(jié)構(gòu)，頂層由一片 DSP芯片組成，中間層由兩片CPLD芯片組成，底層由4片CPLD芯片、2 片A/D轉(zhuǎn)換模塊、1片D/A轉(zhuǎn)換模塊以及2片先進(jìn)先出FIFO芯片組成； 其中，頂層的DSP芯片的輸入端連接到負(fù)責(zé)譯碼、控制D/A轉(zhuǎn)換、A/D 轉(zhuǎn)換、FIFO讀寫的中間層第一片CPLD芯片的輸出端，頂層的DSP芯片的輸出端連接到負(fù)責(zé)PWM脈寬分配和發(fā)出脈沖輸出與故障保護(hù)中斷請(qǐng)求
的中間層第二片CPLD芯片的輸入端；中間層的第一片CPLD芯片的輸入 端分別連接底層的2片先進(jìn)先出FIFO芯片的輸出端、2片A/D轉(zhuǎn)換模塊 的輸出端和1片D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸出端；檢測(cè)信號(hào)分別輸入到底層的2 片先進(jìn)先出FIFO芯片的輸入端、2片A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端和1片D/A 轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；中間層第二片CPLD芯片的輸出端分別連接底層的4 片CPLD芯片的輸入端，底層的4片CPLD芯片的輸出端輸出控制信號(hào)。 上述所說(shuō)的DSP芯片(見附圖3)采用TMS320C32型號(hào)。 上述所說(shuō)的控制電路(見附圖3)的中間層的2片CPLD芯片分別采 用CY30785P84型號(hào)和CY37064P84型號(hào)；所說(shuō)的控制電路的底層的4片 CPLD芯片均采用CY37064P84型號(hào)。
上述所說(shuō)的控制電路(見附圖3)的A/D轉(zhuǎn)換模塊采用AD7684型號(hào)。 上述所說(shuō)的控制電路(見附圖3)的D/A轉(zhuǎn)換模塊采用DAC4813型號(hào)。 上述所說(shuō)的控制電路(見附圖3)的先進(jìn)先出FIFO芯片采用CY7C425 型號(hào)。
一種上述基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路的工作方法，其特征 在于它包括以下階段
(1) 檢測(cè)階段檢測(cè)電路把檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過3/2變換，變?yōu)閿?shù) 字量信號(hào)送入到以DSP為核心的控制電路中；
(2) 軟件控制階段以DSP為核心的控制電路根據(jù)輸入量按照選 定的控制規(guī)律計(jì)算出輸出PWM脈沖，控制功率開關(guān)器件的觸發(fā)角和關(guān)斷 角，使各個(gè)功率單元輸出相位、幅值完全相同的電壓；
(3) 硬件工作階段各個(gè)功率單元輸出的電壓經(jīng)過疊加形成不同 頻率和幅值的正弦電壓，直接輸出供給電動(dòng)機(jī)。
權(quán)利要求
1、一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路，其特征在于它是由移相變壓器、變頻器主電路、檢測(cè)電路、控制電路組成；其中，移相變壓器的輸入端連接工頻電，移相變壓器的輸出端連接變頻器主電路的輸入端；變頻器主電路的輸出端分別連接到檢測(cè)電路輸入端和異步電機(jī)；檢測(cè)電路輸出端連接控制電路輸入端，控制電路輸出端連接到變頻器主電路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速 電路，其特征在于所說(shuō)的變頻器主電路由6個(gè)功率單元組成，每個(gè)功 率單元均是一個(gè)單相輸出的AC/DC/AC變頻器，相鄰的2個(gè)功率單元 的輸出端級(jí)聯(lián)組成一相，三相以星形結(jié)構(gòu)連接；控制電路輸出端分別 連接到變頻器主電路中的每個(gè)功率單元。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速 電路，其特征在于所說(shuō)的控制電路采用三級(jí)結(jié)構(gòu)，頂層由一片DSP芯 片組成，中間層由兩片CPLD芯片組成，底層由4片CPLD芯片、2片 A/D轉(zhuǎn)換模塊、1片D/A轉(zhuǎn)換模塊以及2片先進(jìn)先出FIFO芯片組成； 其中，頂層的DSP芯片的輸入端連接到負(fù)責(zé)譯碼、控制D/A轉(zhuǎn)換、A/D 轉(zhuǎn)換、FIFO讀寫的中間層第一片CPLD芯片的輸出端，頂層的DSP芯 片的輸出端連接到負(fù)責(zé)PWM脈寬分配和發(fā)出脈沖輸出與故障保護(hù)中 斷請(qǐng)求的中間層第二片CPLD芯片的輸入端；中間層的第一片CPLD芯 片的輸入端分別連接底層的2片先進(jìn)先出FIFO芯片的輸出端、2片 A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端和1片D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸出端；檢測(cè)信號(hào)分別 輸入到底層的2片先進(jìn)先出FIFO芯片的輸入端、2片A/D轉(zhuǎn)換模塊 的輸入端和1片D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；中間層第二片CPLD芯片的 輸出端分別連接底層的4片CPLD芯片的輸入端，底層的4片CPLD芯 片的輸出端輸出控制信號(hào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所說(shuō)的一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速 電路，其特征在于所說(shuō)的DSP芯片采用TMS320C32型號(hào)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所說(shuō)的一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速 電路，其特征在于所說(shuō)的控制電路的中間層的2片CPLD芯片分別采 用CY30785P84型號(hào)和CY37064P84型號(hào)；所說(shuō)的控制電路的底層的4 片CPLD芯片均采用CY37064P84型號(hào)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所說(shuō)的一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速 電路，其特征在于所說(shuō)的控制電路的A/D轉(zhuǎn)換模塊采用AD7684型號(hào)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所說(shuō)的一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速 電路,其特征在于所說(shuō)的控制電路的D/A轉(zhuǎn)換模塊采用DAC4813型號(hào)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所說(shuō)的一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速 電路，其特征在于所說(shuō)的控制電路的先進(jìn)先出FIFO芯片采用CY7C425 型號(hào)。
9、 一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路的工作方法，其特 征在于它包括以下階段(1) 檢測(cè)階段檢測(cè)電路把檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過3/2變換，變?yōu)?數(shù)字量信號(hào)送入到以DSP為核心的控制電路中；(2) 軟件控制階段以DSP為核心的控制電路根據(jù)輸入量按照 選定的控制規(guī)律計(jì)算出輸出P麗脈沖，控制功率開關(guān)器件的觸發(fā)角和 關(guān)斷角，使各個(gè)功率單元輸出相位、幅值完全相同的電壓；(3) 硬件工作階段各個(gè)功率單元輸出的電壓經(jīng)過疊加形成不 同頻率和幅值的正弦電壓，直接輸出供給電動(dòng)機(jī)。
全文摘要
一種基于DSP的級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路，其特征在于它是由移相變壓器、變頻器主電路、檢測(cè)電路、控制電路組成；工作方法包括①檢測(cè)階段；②軟件控制階段；③硬件工作階段；本發(fā)明的優(yōu)越性在于利用高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)及先進(jìn)的電力電子技術(shù)(級(jí)聯(lián)多電平技術(shù))實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)五電平變頻調(diào)速電路，可在很大程度上提高變頻器輸出電壓的電能質(zhì)量，使得電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度和精度也有很大程度的提高；減少了輸出電壓的諧波含量和du/dt；逆變器的開關(guān)管工作在低壓低頻(或工頻)狀態(tài)，開關(guān)損耗及EMI較小，效率較高，是一種具有很大市場(chǎng)前景的新一代變頻調(diào)速裝置。
文檔編號(hào)H02M5/451GK101499772SQ20081015279
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2008年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月3日
發(fā)明者豐美麗, 劉增高, 周雪松, 張海濤, 邵寶福, 馬云斌, 馬幼捷, 鳴 齊 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)