基于DSPIC30F3011的数字式变频器
孙宗宇
(兰州理工大学，陕西兰州730050)
摘要：数字式变频器已广泛应用与交流调速系统中，采用准优化SPWM调制技术口j提高电压利用率，输出的线电压为正弦波，实现简单。该系统利用规则采样法，以DSPIC30F3011为核心处理器，为3.75 kW的中央空调设计了一款数字式变频器，经实际运行表明，该变频器运行稳定，性能良好，精度高。
关键词：变频器；DSPIC30F3011；SPWM
中图分类号：TlVl34 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)12—0052—03
现代交流调速系统中，变频器由于良好的性价比已经被越来越广泛的应用。受某公司的委托为3.75 kW的中央空调设计出了一款适合其工作特性的变频器。系统主电路采用交一直一交电压型变频方式，并采用Microchip公司的DSPIC30F301 1芯片结合驱动电路实现了SPWM调制方式。样机实验表明，其控制效果良好，运行稳定，性价比高。
1算法的实现
在各种PWM调制方法中，SPWM以其输出波形好、易于实现而得到普遍应用，并成为数字式变频调速系统中最常用的方法[1]。而对于实际工程来说，只要算法简单、误差小即可满足要求，而规则采样法由于算法简单，易于编程实现，而且精度也能满足要求，因此工程中比较常用。
传统SPWM方式下的规则采样法如图1所示
脉宽时间的计算公式：
其调制波采用正弦波，方程为：
式中：M为调制度；ω为调制频率：
对于三相逆变电路来说，有如下关系：
式中：Usm为输出相电压；Ud为直流侧电压。Usm可
以通过电机的压频特性曲线确定，压频特性曲线如
图2所示。由式(3)可得到：
Ud可由输入电压确定，因此调制度M只与输出电压的频率f有关，可通过给定频率确定。本系统还可通过上位机或键盘修改压频特性曲线的参数，应用方便。
对于传统的以正弦波为调制波而言，其调制度M仅可在0～I之间变化，因此即使调制度达到****M=I，变频器输出的****线电压也仅为直流侧电压的0．866。为了提高电压利用率，使输出电压范围更宽，本系统采用准优化sPwM技术，用正弦波叠加==次谐波形成的鞍形波作为调制波，如图3所示，其数学方程为”…：
百分=时[sin(fjJ￡)+O．25s(：3wt)] (5)
图3鞍形调制波
这种调制技术由于引入了三次谐波，因此，在波峰附近下凹、平坦，调制度大于1 2时才出现超调，输出线电压为正弦波，当满调制时输出线电压略大于直流侧电压。
鞍形波调制法使得变频器的调压范围更宽，而且其算法与正弦调制波的方法相同。实现方法是，先通过设定的压频特性方程和给定频率确定M，然后通过式(1)计算出脉宽时间。对于sPwM，视载波比Ⅳ的变化与否，有同步调制和异步调制两种。两种方法各有优、缺点。实际工程常采用将同步调制和异步调制相结合的分段同步调制，当每段的载波比Ⅳ都为6的倍数时，不但可抑制谐波，保证输出正、负半波的对称而且也已易于软件的实现。因此，本系统采用了分段同步调制，每段载波比均为6的倍数。
2系统设计
2 1控制芯片介绍。
本系统选用微芯科技公司的DsPIc30F30¨为控制芯片，这是一款专门为电机控制设计的16位数字信号控制器(Mcu+DsP)。它最显著的特点是片内有1个6通道的电机控制PwM模块，该模块支持三相交流感应电动机、开关磁阻电动机、直流无刷电动机、uPs等电机和电源的控制，通过编程可产生三相6路PwM信号，而且还提供了死区设置，死区时间通过设定输入时钟预分频器的值和一个6位无符号寄存器的值确定，****死区时间可设为4096个指令周期，这些设置大大简化了生成PwM波的软件开销和外设硬件。DsPIc30F3011兼具了Mcu和DsP的优点，既具有DSP的数字信号处理速度，又具有单片机编程简单、灵活等特点，因…ItP,l，g、适合实现数字式变频器。
2 2系统硬件构成
数字式变频器的硬件电路由主电路和控制电路两部分构成，其原理框图如图4所示。主电路采用交一直一交电压型变频方式，三相工频电压经整流、滤波后得到直流电压，送入三相逆便桥。主电路选用EuPEc的HM模块口75R12KB，该模块额定电流75 A、额定电压l。200 V，包含三相不控整流桥和三相IGBT逆变桥，并且带有过温保护，集成度高，体积小，可缩小变频器的整体体积。
控制电路部分的主要由DsPIc30F3叭1及外围电路，驱动和保护电路，检测电路，键盘给定电路，显示电路，通信电路等几部分组成。驱动芯片选用瑞士concept公司的scALE驱动板2S[)106EI一17，可驱动六单元IGBT，具有可靠性高、多种保护功能、模块本身自带隔离、不用外加独立电源等优点，通常情况下，用智能化scALE驱动板来驱动标准I邮T模块，比使用智能化IGBT模块(IPM)更加简便和灵活。
DsPIc30F30ll是整个控制系统的核心，依照选定的算法通过实时运算和查表相结合，按照给定频率生成相应的三相互补的sPwM信号，再将这六路控制信号送入驱动芯片，由驱动模块直接送人逆变电路，实现变压变频。
2 3系统软件构成、
软件部分主要包括：主程序、中断程序和功能子程序：功能子程序分为生成sPwM的子程序、更新子程序、积分给定子程序、键盘给定子程序、A／D采样子程序、液晶显示子程序、故障处理子程序、与上位机的串行通信子程序等。其中生成sPwM的子程序为软件的主要部分，该子程序以鞍形波作为调制波，采用规则采样法实现sPwM，其中，将鞍形波
的一个周期制成函数表，表中的数据间隔越小其精度越高。软件运行时，通过给定的频率及该段频率对应的载波比，在更新子程序中实时更新PwM时基周期寄存器盯PER，以确定不同频率下的PwM周期。当周期时间到时产生McPwM中断，在中断程序中调用生成sPwM的子程序，通过在线计算和查表相结合的方法来实时修改PwM占空比寄存器PDcl、PDc2、PDc3，实现了六路独立的sPwM波。
系统为限制起、制动电流和保护器件通过调用积分主电路采用交一直一交电压型变频方式，三相工频电压经整流、滤波后得到直流电压，送入三相逆便桥。主电路选用EuPEc的HM模块口75R12KB，该模块额定电流75 A、额定电压l。200 V，包含三相不控整流桥和三相IGBT逆变桥，并且带有过温保护，集成度高，体积小，可缩小变频器的整体体积。
控制电路部分的主要由DsPIc30F3叭1及外围电路，驱动和保护电路，检测电路，键盘给定电路，显示电路，通信电路等几部分组成。驱动芯片选用瑞士concept公司的scALE驱动板2S[)106EI一17，可驱动六单元IGBT，具有可靠性高、多种保护功能、模块本身自带隔离、不用外加独立电源等优点，通常情况下，用智能化scALE驱动板来驱动标准I邮T模块，比使用智能化IGBT模块(IPM)更加简便和灵活。
DsPIc30F30ll是整个控制系统的核心，依照选定的算法通过实时运算和查表相结合，按照给定频率生成相应的三相互补的sPwM信号，再将这六路控制信号送入驱动芯片，由驱动模块直接送人逆变电路，实现变压变频。
2 3系统软件构成、
软件部分主要包括：主程序、中断程序和功能子程序：功能子程序分为生成sPwM的子程序、更新子程序、积分给定子程序、键盘给定子程序、A／D采样子程序、液晶显示子程序、故障处理子程序、与上位机的串行通信子程序等。其中生成sPwM的子程序为软件的主要部分，该子程序以鞍形波作为调制波，采用规则采样法实现sPwM，其中，将鞍形波
的一个周期制成函数表，表中的数据间隔越小其精度越高。软件运行时，通过给定的频率及该段频率对应的载波比，在更新子程序中实时更新PwM时基周期寄存器盯PER，以确定不同频率下的PwM周期。当周期时间到时产生McPwM中断，在中断程序中调用生成sPwM的子程序，通过在线计算和查表相结合的方法来实时修改PwM占空比寄存器PDcl、PDc2、PDc3，实现了六路独立的sPwM波。
系统为限制起、制动电流和保护器件通过调用积分波形。表明系统设计方案正确，输出电压波形好。
4结语
经实际运行，基于DsPIc30F3011的数字式变频器不但硬件电路简单，调速性能良好，功能齐全，运行稳定、可靠，而且还有性价比较高等优点，实现了中央空调的数字化变频调速，市场前景将十分广阔。
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