CN102510262B - 变频调速控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变频调速控制器，该控制器包括：频率调节模块，用于从键盘输入获得频率给定值；频率显示模块，用于接收频率调节模块输出的信号，并将从键盘输入获得的频率给定值发送到显示屏进行实时显示；相位累加器模块，用于接收频率调节模块输出的信号根据频率进行相位调节，配合波形存储模块产生需要的正弦波形；波形存储模块，用于接收从相位累加器输出的相位值，并实现将该相位值到正弦电压幅度值的转换，产生电压波形；克拉克变换模块，用于接收波形存储模块输出的正弦电压，将正弦电压在空间坐标系中进行矢量分解。本发明简化了变频控制器结构，降低了成本，可以满足各种变频调速场合的需要。
Description
技术领域
本发明涉及变频调速控制领域，具体涉及到一种变频调速控制器。
背景技术
恒压频比(VVVF)控制的基本思想是在基频(一般为额定频率)以下时通过始终保持电动机的电压和频率之比为恒定的数值，以此来保证转子磁通恒定。这样做的原因是如果磁通太弱则不能充分利用电机的铁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。而在基频以上时，频率可以一直往上增高，但电压却不能增加得比额定电压还大，因而通过减弱磁通来提高频率，相当于直流电机弱磁升速的情况。VVVF控制是一种开环的控制方式，是通过对逆变器输出进行电压、频率的协调控制来实现电机速度调节。由于是速度开环的控制，调节精度和动态响应特性均不是很理想，尤其是在低速运行时，由于定子电阻压降不容忽视，须进行适当的电压补偿。
电力电子变压变频器在硬件上一般包括整流电路和三相逆变桥电路，这是交-直-交的变频方式，即先将交流电变为直流，再将直流逆变为频率幅值可调的三相交流源。整流电路比较简单，使用晶闸管整流桥电路即可实现，困难的在于逆变电路的控制。三相逆变桥是由6个开关管构成，当前应用广泛的是绝缘栅双极性晶体管(IGBT)和金属半场效应晶体管(MOSFET)。这6个开关组成3组桥臂，同一个桥臂的上下两个开关管不能同时导通。因此，逆变电路共有8种开关状态。一般用“1”表示上桥臂导通，下桥臂截止的状态；“0”表示上桥臂截止，下桥臂导通的状态。在空间矢量的研究中，三个桥臂的状态组合起来，得到8种开关状态，包括6个非零矢量 U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)，以及2个零矢量U0(000)、U7(111)。上述6个非零矢量将空间360°的平面分成6个扇区，每个扇区60°，任何空间电压矢量都可以由这6个基本电压矢量合成。为了减小开关管打开和关断的次数，降低功耗，一般根据扇区选择该扇区边界上的两个基本电压矢量来合成所需空间电压矢量。
SVPWM(空间矢量脉宽调制)的思想是把逆变器和电机看成一体，作为执行机构，着重在于如何产生恒定的圆形磁场。由于交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机控制下形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。
三相逆变桥实现SVPWM调制的方法是按照一定的频率和顺序依次导通和关断。为了方便地表示每种开关状态，一般采用一个三维的空间矢量来代表三个桥臂在某一时刻的状态。就是上文所述的8种开关状态。这八种状态按照一定的规则进行组合就可以得到想要的空间旋转的电压矢量，SVPWM调制方法就是这个规则。
目前国内的交流电机控制领域一般均由微处理器(MCU和DSP)或专用控制芯片(ASIC)承担。德州仪器(TI)公司的C2000系列DSP在交流电机控制方面的出色性能也受到了设计者们的青睐。但是，DSP本身存在固有的缺陷，它的串行时序的运算方式在中低速变频领域性能很好，但在高速环境下却很容易出现时序问题，导致程序失控。
自从1985年Xilinx(赛林思)公司推出第一款FPGA(现场可编程门阵列)以来，FPGA以其速度快、灵活性高、设计周期短和功能强等显著优势在电子行业中得到了广泛的应用。近年来，FPGA技术逐渐开始应用于交流变频调速系统中，例如，美国斯坦福大学的研究者利用Xilinx公司的XC4010和TI公司的TMS320C14实现了控制回路，取得了很好的实验结果。然而，当前大多数情况下FPGA仍然需要DSP等其他微控制器的辅助，没有独立实现变频调速的功能，这也使控制的稳定性受到影响，成本也很高。
DDS(直接数字合成)的概念在1971年由J.Tierney(J.蒂尔尼)和C.M.Tader(C.M.泰德)等人在“A Digital Frequency Synthesizer ”(数字频率合成器)一文中首次提出。它从“相位”的概念出发进行频率合成，这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位。相位累加器是DDS系统的核心，它由一个加法器和一个相位存储器组成，相位存储器根据时钟信号以一定的步长增加，它的输出与相位控制字相加后输入到正弦波查询表地址上，调用对应的数值。正弦波查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每一个地址对应了正弦波中0-360°范围内的一个相位点。通过改变寻址的步长来改变输出信号的频率。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于，实现一种变频调速控制器，在单片FPGA中实现恒压频比算法，既克服了DSP的时序可靠性问题，获得更加稳定的SVPWM波形，又简化了控制器的构成，节约了成本。
技术方案：一种变频调速控制器，该控制器包括：
频率调节模块，用于从键盘输入获得频率给定值；
频率显示模块，用于接收频率调节模块输出的信号，并将从键盘输入获得的频率给定值发送到显示屏进行实时显示；
相位累加器模块，用于接收频率调节模块输出的信号根据频率进行相位调节，配合波形存储模块产生需要的正弦波形；
波形存储模块，用于接收从相位累加器输出的相位值，并实现将该相位值到正弦电压幅度值的转换，产生电压波形；
克拉克变换模块，用于接收波形存储模块输出的正弦电压，将正弦电压在空间坐标系中进行矢量分解；
电压-频率调节模块，用于接收克拉克变换模块输出的信号，并根据频率进行电压幅值的调节，保证电压和频率的比值恒定；
SVPWM信号发生模块，用于接收电压-频率调节模块输出的电压幅值，并根据接收的电压幅值产生相应的SVPWM波形；
死区延迟模块，用于接收用户输入的死区时间，用于接收SVPWM信号发生模块输出的SVPWM波形，并根据用户输入的死区时间对SVPWM波形进行延迟处理。
优选的，所述的相位累加器模块包括分频模块和频率控制字模块；分频模块用于对系统时钟进行分频处理，频率控制字模块用于改变读取波形存储模块中正弦值的频率，从而调节输出正弦波的频率。
优选的，所述频率选择模块，根据用户的键盘输入确定频率的给定值，增加和减小的单位频率自由设定；
所述频率显示模块，是将用户输入的频率值经过一定的处理，通过I/O口发送给显示屏进行实时显示；
所述相位累加器模块，由频率控制字来调节，根据系统时钟将相位进行求和来实现相位在0-360°范围内变化，保证产生完整的正弦波形；
所述波形存储模块，是将预设的正弦值和余弦值存储在只读存储器里，根据地址发生器进行调用，和相位累加器模块一起产生需要的电压波形；
所述克拉克变换模块，是将波形存储模块产生的空间电压波形在X-Y坐标系中进行分解，便于SVPWM信号发生模块产生波形；
所述电压-频率调节模块，根据恒压频比调速的原理，由输入的频率值确定对应的电压幅值；
所述SVPWM信号发生模块，是根据两坐标电压值进行扇区计算和时间转换处理，最后输出对应的6路脉冲信号；
所述死区模块，用于接收用户输入的死区时间，根据死区时间对每一路的SVPWM脉冲信号进行延时处理。
优选的，变频调速控制器所用的现场可编程门阵列为EP2C8型号。
优选的，波形存储模块中的只读存储器保存512个正弦波数据和512个余弦波数据。
优选的，所述电压-频率调节模块的电压幅值与0-50Hz范围内的频率成线性关系，高于50HZ保持输出电压不变。
有益效果：本发明结构简单，使用方便，支持二次开发。可以在各种变频调速1的9+场合使用，还可以应用于学校的教学实验，满足交流电机控制原理、SVPWM调制算法和VVVF控制方法等方面的教学需要。
附图说明
图1为变频调速控制器结构示意图；
图2为一种包含变频调速控制器的异步电机变频调速系统示意图；
图3为电压-频率调节模块的波形示意图；
图4为SVPWM信号发生模块的波形示意图；
图5为死区延迟模块的波形示意图；
其中：SVPWM 为空间矢量脉宽调制；FPGA为现场可编程门阵列。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
变频调速控制器，该控制器包括：
频率调节模块，用于从键盘输入获得频率给定值；
频率显示模块，用于接收频率调节模块输出的信号，并将从键盘输入获得的频率给定值发送到显示屏进行实时显示；
相位累加器模块，用于接收频率调节模块输出的信号根据频率进行相位调节，配合波形存储模块产生需要的正弦波形；
波形存储模块，用于接收从相位累加器输出的相位值，并实现将该相位值到正弦电压幅度值的转换，产生电压波形；
克拉克变换模块，用于接收波形存储模块输出的正弦电压，将正弦电压在空间坐标系中进行矢量分解；
电压-频率调节模块，用于接收克拉克变换模块输出的信号，并根据频率进行电压幅值的调节，保证电压和频率的比值恒定；
SVPWM信号发生模块，用于接收电压-频率调节模块输出的电压幅值，并根据接收的电压幅值产生相应的SVPWM波形；
死区延迟模块，用于接收用户输入的死区时间，用于接收SVPWM信号发生模块输出的SVPWM波形，并根据用户输入的死区时间对SVPWM波形进行延迟处理。
所述的相位累加器模块包括分频模块和频率控制字模块；分频模块用于对系统时钟进行分频处理，频率控制字模块用于改变读取波形存储模块中正弦值的频率，从而调节输出正弦波的频率。
所述频率选择模块，根据用户的键盘输入确定频率的给定值，增加和减小的单位频率自由设定；
所述频率显示模块，是将用户输入的频率值经过一定的处理，通过I/O口发送给显示屏进行实时显示；
所述相位累加器模块，由频率控制字来调节，根据系统时钟将相位进行求和来实现相位在0-360°范围内变化，保证产生完整的正弦波形；
所述波形存储模块，是将预设的正弦值和余弦值存储在只读存储器里，根据地址发生器进行调用，和相位累加器模块一起产生需要的电压波形；
所述克拉克变换模块，是将波形存储模块产生的空间电压波形在X-Y坐标系中进行分解，便于SVPWM信号发生模块产生波形；
所述电压-频率调节模块，根据恒压频比调速的原理，由输入的频率值确定对应的电压幅值；
所述SVPWM信号发生模块，是根据两坐标电压值进行扇区计算和时间转换处理，最后输出对应的6路脉冲信号；
所述死区模块，用于接收用户输入的死区时间，根据死区时间对每一路的SVPWM脉冲信号进行延时处理。
变频调速控制器所用的现场可编程门阵列为EP2C8型号。
波形存储模块中的只读存储器保存512个正弦波数据和512个余弦波数据。
所述电压-频率调节模块的电压幅值在0-50HZ范围内和频率成线性关系，高于50HZ保持输出电压不变。
实例1:
本发明提出的变频调速控制器，是以FPGA芯片为核心来实现的，控制板上的LCD显示屏也是由FPGA控制显示。如图1所示，变频控制器包括FPGA最小系统、外围的键盘和LCD显示屏。FPGA内部包括：频率调节模块、相位累加器模块、波形存储模块、克拉克变换模块、电压-频率调节模块、频率显示模块、SVPWM波形发生模块和死区模块。
下面具体介绍各个模块的功能：
频率选择模块，用于从键盘输入获得频率给定值；
相位累加器模块，用于根据频率进行相位调节，配合波形存储模块产生需要的正弦波形；
波形存储模块，实现从相位累加器输出的相位值到正弦幅度值的转换；
克拉克变换模块，用于将正弦电压在空间坐标系中进行矢量分解
电压-频率调节模块，用于根据频率进行电压幅值的调节，保证电压和频率的比值恒定；
频率显示模块，用于将给定频率发送到LCD显示屏进行实时显示；
SVPWM信号发生模块，用于根据两坐标的电压值产生相应的SVPWM波形；
死区延迟模块，用于根据用户输入的死区时间对6路SVPWM信号进行延迟处理。
如图2所示，图2是一个包含该变频调速控制器的异步电机变频调速系统示意图。该系统包含三相桥式电路和变频控制器，属于一种开环调速系统。三相逆变电路的三个桥臂的引出点分别是A、B和C，分别连接到电机的三个定子绕组。图2中Udc表示直流母线电压。当用户输入频率值并启动变频调速控制器，FPGA内部根据得到的频率生成对应的电压幅值，最终产生6路SVPWM脉冲信号给三相逆变桥电路的6个IGBT(绝缘栅双极性晶体管)器件，达到控制其通断的目的。
下面说明基于FPGA的变频调速控制器的具体工作过程：
首先用户通过控制器上的按键设定频率，当频率选择模块检查到有键盘输入时，就会在默认的初始化频率值上增加或减小一个定值，这里频率的初始值设为50HZ，每按一下键盘增加和减小的值可以在程序中设定，一般为1HZ。同时，频率选择模块将设定频率的绝对值发送给频率显示模块，频率显示模块将其进行处理后通过I/O口发送给12864液晶显示器驱动器，完成对给定频率值的实时显示。
当频率值传给相位累加器模块，配合时钟信号求出频率控制字K，频率控制字的计算公式为：
上式中N为累加器的位数，
为输出信号频率，即设定频率，
为时钟频率。
求出的频率控制字传给地址发生器，得到相位累加的绝对值，构成相位累加器模块的最终输出值。波形存储模块包含正弦和余弦值的查询表，存储在ROM里面。用于实现从相位累加器输出的相位值到正弦幅度值的转换，这是基于DDS(直接数字合成)波形发生器的思想。
克拉克变换模块的作用是将获得的正弦电压波形(包括幅值和相位)，在X-Y坐标轴上进行分解，便于后面的SVPWM信号发生模块进行处理。这里的分解过程涉及到正弦值和余弦值的计算，因为FPGA进行三角函数的计算需要占用大量资源和运算时间，为了提高芯片使用效率，我们直接调用ROM(只读存储)中保存的正弦和余弦值参与克拉克变换模块的运算。
在频率和电压信号传给SVPWM信号发生模块之前，需要保证满足恒压频比的条件，这就是电压-频率调节模块的功能。该模块中根据频率值计算出对应的电压幅值，如图3所示。保证频率和电压符合线性关系，具体的对应关系为：
上式中
和
分别表示电压的最大幅值和最小幅值，
设定的表示最大频率值， 
表示输出信号的频率。
然后就可以根据两坐标的电压值以及时钟信号求出合成电压所在的扇区号，知道了扇区号就可以从U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)以及两个零矢量U0(000)、U7(111)中选取对应的向量进行合成。合成过程主要是求出每个扇区中各向量的作用时间。图4为SVPWM信号发生模块的波形示意图，从图4中可见，3个桥臂产生的6路信号分为3组，每组的波形都是反向的。
SVPWM信号发生模块中还对过调制的情况进行了处理，当产生过调制情况时对时间参数进行了重构处理，得到新的时间参数，SVPWM信号发生模块根据新的时间参数输出对应的脉冲信号。
由于IGBT开关管本身的特性，即关闭时间比打开时间长，如果我们将图4中产生的6路信号直接用来控制三相逆变桥，无疑会出现桥臂上下管导通的情况，对电路造成损毁。因此，死区模块的作用就是保证每个桥臂上一个IGBT在开通之前保证另一个已经完全关闭。方法是对每个波形的上升沿进行一定的延时处理，延时时间可以由用户设置。图5为每一路信号经过死区延迟模块的波形示意图。
FPGA的优势是运算速度快，且真正做到了并行处理。本发明采用FPGA作为变频调速控制器的核心，采用自顶向下的设计，用DDS波形发生器的思想得到了纯净的正弦波形，用ROM存储正弦和余弦值的方法简化了运算的复杂度，从而将所有的变频调速功能在一片FPGA芯片中实现，而不需要其他微控制器的辅助。
本发明在单片FPGA芯片中实现了恒压频比变频调速的控制算法，不需要DSP(数字信号处理器)或其他微处理器的辅助就可以根据键盘输入的频率值产生准确可靠的SVPWM波形，简化了变频控制器结构，降低了成本，可以满足各种变频调速场合的需要，也可应用于学校电机教学方面。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (6)
1.一种变频调速控制器，其特征在于该控制器包括：
频率调节模块，用于从键盘输入获得频率给定值；
频率显示模块，用于接收频率调节模块输出的信号，并将从键盘输入获得的频率给定值发送到显示屏进行实时显示；
相位累加器模块，用于接收频率调节模块输出的信号根据频率进行相位调节，配合波形存储模块产生需要的正弦波形；
波形存储模块，用于接收从相位累加器输出的相位值，并实现将该相位值到正弦电压幅度值的转换，产生电压波形；
克拉克变换模块，用于接收波形存储模块输出的正弦电压，将正弦电压在空间坐标系中进行矢量分解；
电压-频率调节模块，用于接收克拉克变换模块输出的信号，并根据频率进行电压幅值的调节，保证电压和频率的比值恒定；
空间矢量脉宽调制SVPWM信号发生模块，用于接收电压-频率调节模块输出的电压幅值，并根据接收的电压幅值产生相应的SVPWM波形；
死区延迟模块，用于接收用户输入的死区时间，用于接收SVPWM信号发生模块输出的SVPWM波形，并根据用户输入的死区时间对SVPWM波形进行延迟处理。
2.根据权利要求1所述的变频调速控制器，其特征在于，所述的相位累加器模块包括分频模块和频率控制字模块；分频模块用于对系统时钟进行分频处理，频率控制字模块用于改变读取波形存储模块中正弦值的频率，从而调节输出正弦波的频率。
3.根据权利要求2所述的变频调速控制器，其特征在于：
所述频率调节模块，根据用户的键盘输入确定频率的给定值，增加和减小的单位频率自由设定；
所述频率显示模块，是将用户输入的频率值经过一定的处理，通过I/O口发送给显示屏进行实时显示；
所述相位累加器模块，由频率控制字来调节，根据系统时钟将相位进行求和来实现相位在0-360°范围内变化，保证产生完整的正弦波形；
所述波形存储模块，是将预设的正弦值和余弦值存储在只读存储器里，根据地址发生器进行调用，和相位累加器模块一起产生需要的电压波形；
所述克拉克变换模块，是将波形存储模块产生的空间电压波形在X-Y坐标系中进行分解，便于SVPWM信号发生模块产生波形；
所述电压-频率调节模块，根据恒压频比调速的原理，由输入的频率值确定对应的电压幅值；
所述SVPWM信号发生模块，是根据两坐标电压值进行扇区计算和时间转换处理，最后输出对应的6路脉冲信号；
所述死区延迟模块，用于接收用户输入的死区时间，根据死区时间对每一路的SVPWM脉冲信号进行延时处理。
4.根据权利要求1所述的变频调速控制器，其特征在于，变频调速控制器所用的现场可编程门阵列的型号为EP2C8。
5.根据权利要求3所述的变频调速控制器，其特征在于，波形存储模块中的只读存储器保存512个正弦波数据和512个余弦波数据。
6.根据权利要求1所述的变频调速控制器，其特征在于，所述电压-频率调节模块的电压幅值与0-50Hz范围内的频率成线性关系，高于50HZ保持输出电压不变。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140312 Termination date: 20161101 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |