專利名稱：基于dsp的級聯(lián)五電平變頻調速電路及其工作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種變頻調速電路，特別是一種基于DSP的級聯(lián)五電平 變頻器的變頻調速電路及其工作方法。
(二)
背景技術：
電能是當前人類文明發(fā)展的動力，也是當前衡量一個國家發(fā)展與人 民生活的一個重要指標。我國的電能生產與發(fā)展已經名列世界前茅，但 仍不能滿足工業(yè)生產和人民生活提高的需要，其中一個主要原因就是電 能的浪費現象很嚴重，因此變頻調速電路以其優(yōu)異的節(jié)電性能越來越受 到人們的重視。變頻調速是一種比較理想的調速方法，其調速性能優(yōu)良、 效率高，是交流調速電路的主要發(fā)展方向。進行電動機的變頻調速改造， 可以降低電路能耗、優(yōu)化電路的整體性能,為企業(yè)贏得可觀的經濟效益； 同時可以節(jié)約資源、減少環(huán)境污染、優(yōu)化工作環(huán)境等，具有很好的社會經 濟效益。在變頻調速電路中，變頻器是其核心部件，整個電路是通過它 完成所需完成的任務，以達到節(jié)約電能，保護環(huán)境的目的。目前，國內 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 路結構，其輸出的電壓波形質量不是很理想，特別是對于一些要求精度 較高的場合，急需一種輸出電壓質量高、開關損耗小的新型變頻器。
(三)

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路及 其工作方法，它結合高性能的信號處理器(DSP)和先進的電力電子技術 (級聯(lián)多電平技術)，構造出一種新型的適用于工作在較高精度要求場 合的新型變頻調速電路，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，開關器件IGBT開關次數少，dv/dt小，開關 損耗小，市場前景非常廣闊。
本發(fā)明的技術方案 一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路，其 特征在于它是由移相變壓器、變頻器主電路、檢測電路、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電路輸 入端和異步電機；檢測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。上述所說的變頻器主電路由6個功率單元組成，每個功率單元均是
一個單相輸出的AC/DC/AC變頻器，相鄰的2個功率單元的輸出端級聯(lián)組 成一相，三相以星形結構連接；控制電路輸出端分別連接到變頻器主電 路中的每個功率單元。
上述所說的控制電路采用三級結構，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轉換模塊、 1片D/A轉換模塊以及2片先進先出FIF0芯片組成；其中，頂層的DSP 芯片的輸入端連接到負責譯碼、控制D/A轉換、A/D轉換、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責 PWM脈寬分配和發(fā)出脈沖輸出與故障保護中斷請求的中間層第二片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 先進先出FIFO芯片的輸出端、2片A/D轉換模塊的輸出端和1片D/A轉 換模塊的輸出端；檢測信號分別輸入到底層的2片先進先出FIFO芯片的 輸入端、2片A/D轉換模塊的輸入端和1片D/A轉換模塊的輸入端；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。 上述所說的DSP芯片采用TMS320C32型號。
上述所說的控制電路的中間層的2片CPLD芯片分別釆用CY30785P84 型號和CY37064P84型號；所說的控制電路的底層的4片CPLD芯片均采 用CY37064P84型號。
上述所說的控制電路的A/D轉換模塊采用AD7684型號。 上述所說的控制電路的D/A轉換模塊采用DAC4813型號。 上述所說的控制電路的先進先出FIFO芯片采用CY7C425型號。 一種上述基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路的工作方法，其特征 在于它包括以下階段
(1) 檢測階段檢測電路把檢測到的信號經過3/2變換，變?yōu)閿?字量信號送入到以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輸入量按照選 定的控制規(guī)律計算出輸出PWM脈沖，控制功率開關器件的觸發(fā)角和關斷 角，使各個功率單元輸出相位、幅值完全相同的電壓；
(3) 硬件工作階段各個功率單元輸出的電壓經過疊加形成不同 頻率和幅值的正弦電壓，直接輸出供給電動機。
5本發(fā)明的工作原理為電網給移向變壓器供電，經過變壓器的降壓，
再給6個功率模塊(單相輸出的AC/DC/AC變頻器)供電，相鄰的2個模
塊的輸出端級聯(lián)組成一相，三相以星形結構連接；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麗調制波共用一個正弦波， 相鄰2個單元P麗產生的載波相差90。，產生的基波電壓的相位、幅值 完全相同，經過疊加形成正弦電壓，直接輸出供給電機；本發(fā)明具有以 下各項功能數據采集、變頻控制、順序控制、人機交互、故障診斷、 故障保護、故障告警、通訊接口、存儲功能。
中央處理器DSP應用軟件通常選用C語言或匯編語言，并從變頻器
的控制功能框圖和狀態(tài)變化過程入手進行分析設計，其程序編寫過程包
括以下幾個步驟
(1) 編寫數據字典對數據變量定義與管理從電路功能框圖的計算公 式、狀態(tài)轉換圖提取數據，把所有與電路相關的數據元素分類列表，并且 對這些變量進行嚴格的定義，準確限定變量屬性。在數據字典編寫時主要 包括變量名稱、文字描述、數據類型、使用范圍、變量數值來源、數值 定義域等內容；
(2) 體系結構設計與模塊之間調度按照軟件工程方法，將軟件劃分 為多個功能模塊。劃分的原則是強內聚、松耦合。方塊表示軟件功能模 塊，箭頭表示數據流動方向，實心箭頭表示控制信息流動方向，層次表示 調用關系，其中，在同一層的功能模塊左邊首先被調用。經過分析比較，
控制參數計算、PWM脈寬計算與輸出控制、硬件檢測故障告警與故障保
護動作、數據發(fā)送與接收的實時性要求較高，宜釆用中斷調用。優(yōu)先等級
劃分為:故障保護動作、PWM脈寬計算與輸出控制、數據收發(fā)。INTO中斷 優(yōu)先級最高,故障保護和脈沖輸出公用，由脈沖分配CPLD請求，在服務程 序內通過相關標志變量決定進行服務的對象，故障中斷服務優(yōu)先；DSP 自帶串口中斷不使用，串口通訊使用ST16C552芯片管理，數據收發(fā)公用 一個外部中斷INT2，由ST16C552發(fā)出中斷請求，在中斷服務程序中通過 讀取該芯片內的中斷狀態(tài)寄存器，決定服務對象。TimeO中斷優(yōu)先級最低， 負責調用控制計算與數據釆集、狀態(tài)轉換程序模塊，這些內容較多,多個 TimeO中斷分次分批完成。為了保證故障保護與脈沖輸出實時性,除故障 中斷與脈沖輸出周期中斷服務除外，所有中斷服務必須能嵌套中斷；
(3)軟件模塊過程設計與代碼編寫依據子程序模塊功能與子程序 接口，分析設計模塊實現詳細流程，逐步求精，細化到每一個框圖可以用一條計算機指令實現為止，然后采用標準流程圖表示出來，就可以得到程 序代碼編寫藍圖。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于①利用高性能數字信號處理芯片(DSP)及先 進的電力電子技術(級聯(lián)多電平技術)實現級聯(lián)五電平變頻調速電路， 可在很大程度上提高變頻器輸出電壓的電能質量，使得電動機的響應速
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逆變器的開關管工作在低壓低頻(或工頻)狀態(tài)，開關損耗及EMI較
小，效率較高，是一種具有很大市場前景的新一代變頻調速電路。
(四)


附圖1為本發(fā)明所涉一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路的系 統(tǒng)結構框圖。
附圖2為本發(fā)明所涉一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路的變 頻器主電路拓撲圖。
附圖3為本發(fā)明所涉一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路的控 制電路結構框圖。
附圖4為本發(fā)明所涉一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路的控 制電路功能框圖。
(五)
具體實施例方式
實施例 一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路(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電路 輸入端和異步電機；檢測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。
上述所說的變頻器主電路(見附圖l、 2)由6個功率單元組成，每 個功率單元均是一個單相輸出的AC/DC/AC變頻器，相鄰的2個功率單元 的輸出端級聯(lián)組成一相，三相以星形結構連接；控制電路輸出端分別連 接到變頻器主電路中的每個功率單元。
上述所說的控制電路(見附圖3、 4)采用三級結構，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轉換模塊、1片D/A轉換模塊以及2片先進先出FIFO芯片組成； 其中，頂層的DSP芯片的輸入端連接到負責譯碼、控制D/A轉換、A/D 轉換、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責PWM脈寬分配和發(fā)出脈沖輸出與故障保護中斷請求
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片先進先出FIFO芯片的輸出端、2片A/D轉換模塊 的輸出端和1片D/A轉換模塊的輸出端；檢測信號分別輸入到底層的2 片先進先出FIFO芯片的輸入端、2片A/D轉換模塊的輸入端和1片D/A 轉換模塊的輸入端；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。 上述所說的DSP芯片(見附圖3)采用TMS320C32型號。 上述所說的控制電路(見附圖3)的中間層的2片CPLD芯片分別采 用CY30785P84型號和CY37064P84型號；所說的控制電路的底層的4片 CPLD芯片均采用CY37064P84型號。
上述所說的控制電路(見附圖3)的A/D轉換模塊采用AD7684型號。 上述所說的控制電路(見附圖3)的D/A轉換模塊采用DAC4813型號。 上述所說的控制電路(見附圖3)的先進先出FIFO芯片采用CY7C425 型號。
一種上述基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路的工作方法，其特征 在于它包括以下階段
(1) 檢測階段檢測電路把檢測到的信號經過3/2變換，變?yōu)閿?字量信號送入到以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輸入量按照選 定的控制規(guī)律計算出輸出PWM脈沖，控制功率開關器件的觸發(fā)角和關斷 角，使各個功率單元輸出相位、幅值完全相同的電壓；
(3) 硬件工作階段各個功率單元輸出的電壓經過疊加形成不同 頻率和幅值的正弦電壓，直接輸出供給電動機。
權利要求
1、一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路，其特征在于它是由移相變壓器、變頻器主電路、檢測電路、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電路輸入端和異步電機；檢測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、 根據權利要求1所說的一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速 電路，其特征在于所說的變頻器主電路由6個功率單元組成，每個功 率單元均是一個單相輸出的AC/DC/AC變頻器，相鄰的2個功率單元 的輸出端級聯(lián)組成一相，三相以星形結構連接；控制電路輸出端分別 連接到變頻器主電路中的每個功率單元。
3、 根據權利要求1所說的一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速 電路，其特征在于所說的控制電路采用三級結構，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轉換模塊、1片D/A轉換模塊以及2片先進先出FIFO芯片組成； 其中，頂層的DSP芯片的輸入端連接到負責譯碼、控制D/A轉換、A/D 轉換、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責PWM脈寬分配和發(fā)出脈沖輸出與故障保護中 斷請求的中間層第二片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片先進先出FIFO芯片的輸出端、2片 A/D轉換模塊的輸出端和1片D/A轉換模塊的輸出端；檢測信號分別 輸入到底層的2片先進先出FIFO芯片的輸入端、2片A/D轉換模塊 的輸入端和1片D/A轉換模塊的輸入端；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。
4、 根據權利要求3所說的一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速 電路，其特征在于所說的DSP芯片采用TMS320C32型號。
5、 根據權利要求3所說的一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速 電路，其特征在于所說的控制電路的中間層的2片CPLD芯片分別采 用CY30785P84型號和CY37064P84型號；所說的控制電路的底層的4 片CPLD芯片均采用CY37064P84型號。
6、 根據權利要求3所說的一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速 電路，其特征在于所說的控制電路的A/D轉換模塊采用AD7684型號。
7、 根據權利要求3所說的一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速 電路,其特征在于所說的控制電路的D/A轉換模塊采用DAC4813型號。
8、 根據權利要求3所說的一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速 電路，其特征在于所說的控制電路的先進先出FIFO芯片采用CY7C425 型號。
9、 一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路的工作方法，其特 征在于它包括以下階段(1) 檢測階段檢測電路把檢測到的信號經過3/2變換，變?yōu)?數字量信號送入到以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輸入量按照 選定的控制規(guī)律計算出輸出P麗脈沖，控制功率開關器件的觸發(fā)角和 關斷角，使各個功率單元輸出相位、幅值完全相同的電壓；(3) 硬件工作階段各個功率單元輸出的電壓經過疊加形成不 同頻率和幅值的正弦電壓，直接輸出供給電動機。
全文摘要
一種基于DSP的級聯(lián)五電平變頻調速電路，其特征在于它是由移相變壓器、變頻器主電路、檢測電路、控制電路組成；工作方法包括①檢測階段；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字信號處理芯片(DSP)及先進的電力電子技術(級聯(lián)多電平技術)實現級聯(lián)五電平變頻調速電路，可在很大程度上提高變頻器輸出電壓的電能質量，使得電動機的響應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；逆變器的開關管工作在低壓低頻(或工頻)狀態(tài)，開關損耗及EMI較小，效率較高，是一種具有很大市場前景的新一代變頻調速裝置。
文檔編號H02M5/451GK101499772SQ20081015279
公開日2009年8月5日 申請日期2008年11月3日 優(yōu)先權日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 申請人:天津理工大學