变频器方案.doc

SH99F100双核DSP的变频器应用 近二十年来，变频调速技术的成熟使得交流调速有逐渐取代直流调速的趋势。而矢量控制技术以其更高的调速精度，更大的调速范围和更快的响应速度等优势取代传统V/F变频成为高性能变频调速系统的首选，即使在通用变频器上矢量功能也成为必备的标准功能。本文介绍基于中颖电子双核DSP（SH99F100系列）产品的开环矢量变频器方案设计，并对开环矢量变频器的低频力矩和抗干扰性能做相关说明。 SH99F100芯片特点 SH99F100系列是一款双核芯片，包括16位增强型DSP和8位MCU，主要特点如下： DSP部分： CPU：最大100MIPS，单周期16位MAC和存取操作。 片上存储器：64K×8bits Flash存储空间；16K×24bits SRAM程序空间；总共8K×16bits SRAM数据空间；512×16bits双核通讯SRAM。 外设：6路增强型PWM，支持多种模式，以及功率中断保护引脚；2×8通道14bits流水线式ADC，最大10M转换速度；4个16bits系统定时器；1组QEI接口及；4路捕捉功能；2路内部运算放大器。 MCU部分： CPU：增强型8051（1T）内核，最大工作频率16M。 片上存储器：64K Bytes Flash程序空间；4K Bytes 片上SRAM作为XDATA使用。 IO：最多56个IO端口。 外设：1个SPI（主/从模式）；2个增强型UART；3个16位定时器；8通道10位SAR ADC。 其他： 工作电压：VDD = 2.7V ～ 5.5V ISP功能，可在线更新程序并支持SSP 双核共用JTAG口仿真系统方案设计 硬件设计 变频器硬件设计分三个部分：功率板，主控板和显示面板，各功率段产品只在功率板部分有差异，而主控板是完全相同的。双核DSP系统框图如下： 变频器控制板框图 MCU，包括显示面板，外部端子的各项输入输出EEPROM的参数存取；DSP电机驱动算法和保护功能，包括6路PWM的输出控制，电机电流/母线电压的采样，以及模块保护和过流比较的保护信号等软件设计 MCU部分主要模块划分为按键/显示模块，功能参数模块，运行控制模块，外部端子模块，其中外部端子的RS485实现了标准的MODBUS协议。基本流程1）系统寄存器初始化2）通讯初始化，MCU将DSP所需参数发给DSP 3）各模块初始化 4）主循环中时间管理模块确定各模块的执行时间，其余各模块按时间管理派发的时间片独立执行各自的模块程序。MCU功能流程图如下： MCU控制流程图软件设计 DSP部分主要负责电机控制算法，其中核心是开环矢量算法。矢量控制的核心思想是通过坐标变换将定子电流解耦为励磁电流和转矩电流，通过电流环（内环）分别对两路电流做PI控制，接合速度环（外环）进行PI控制，所谓开环矢量仍然需要对速度环做闭环控制，其核心则是反馈通道的速度估计算法。矢量运算中涉及到的基本运算包括四则运算，三角函数，开方，反正切等都有库函数支持，一些固有模块包括CLARK变换，PARK变换及反变换，SVPWM等封装为函数供控制算法调用。DSP部分矢量算法控制框图如下： 开环矢量控制框图关键性能在开环矢量变频器方案设计中，有以下几点是各厂家比较注重的性能： 电流谐波指标。谐波会导致电机过分发热影响电机寿命，同时影响电机运转的稳定性。为了减小谐波，软件中需要精心设计死区补偿算法，因为死区会导致实际加载在绕组上的电压和期望值有差异，而这种差异使得电流波形有明显的削顶和零电流钳位效应，在低频下尤其明显。下图示出有无死区补偿电流波形： 图2-4 死区补偿效应 低频力矩响应。矢量控制能实现励磁和转矩的单独控制，因此在应用中也希望低频时大转矩输出能力。在实现过程中由于低频下电流较小，对估计器的输出就提出较高要求，难以实现精确的速度估计，通常采用一些补偿的方法使得在低频下有较好的转矩响应能力。下图示出从空载到加载电流波形的变化，对应的电磁转矩也逐渐加大： 图2-5 低频转矩相应 EMC指标。变频器应用场合复杂多样，在各环境中要保持稳定运行，最基本要求是保证主控的抗干扰能力，下表列出了SH99F100为主控的变频器整机和国内知名品牌整机（采用欧美主控芯片）的抗干扰能力对比： 国内知名品牌整机 SH99F100 变频器整机 ESD 接触放电 6KV ( ( 空气放电 10KV ( ( EFT L ±2KV ( ( +2KV Reset ( -4KV Reset ( N ±4KV ( ( L+N ±4KV ( ( 结束语 本文提到的SH99F100双核DSP不仅在上，同时在抗干扰方面（EFT可达4KV）都优于市场原有主流控制芯片，而高性价比的原厂整体方案也可帮助变频器厂商提升产品竞争力目前本文提