基于32位DSP的高压变频器电流电压采样电路

刘 丽，冯东升，王 涛

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

结合高压变频器输入输出端高压大电流的信号特点，本文提出一种基于32位 DSP TMS320F2808的高压变频器采样电路设计方案，如图1所示。针对电压信号，本文采用输入输出端串接高压大电阻限流取样的方法，将电流限制在0～2 mA，后续接入采样板进行信号调制，同时为了防止过高压信号串入线路板，在三相线上分别对地接压敏电阻保护;针对电流信号，输入端串接两级电流互感器获取，输出端接霍尔器件获取信号。采样部分，采用多级运放进行信号调制、比较等，利用DSP芯片进行A/D采样和频率捕获，获取主电路输入输出三相交流信号。同时通过主从DSP实时通信，实现对高压变频器输入输出电流电压信号的实时监测与控制。

1 采样电路结构组成

该高压变频器采样电路主要有:输入输出电流采样电路，输入输出电压采样电路，DSP外围及其控制电路。

1.1 输入电流采样电路

如图1所示，该变频器在主电路中利用一级电流互感器，将大电流信号转换为5 A范围内信号，进而在采样板上采用二级电流互感器获取信号。针对三相电流，主电路中只采两相，以R相为例，一级互感器L1后侧电路如图2所示。

图1 主电路拓扑结构

图2 输入电流采样电路

变频器输入大电流经一级电流互感器转换为5 A电流信号后，接采样板二级互感变为0～2.5 mA信号，经运放电阻匹配，将该电流信号转换为－2～+2 V电压信号。由于DSP芯片A/D采样电压范围为0～3 V，因此需要进行信号调制，与基准电压－2.048通过电阻匹配叠加运算，如图2所示。同时为检测输入过流信号，将电流转交流电压信号后，将该交流电压信号进行翻转处理，利用二极管单向导通作用将其转换为0～2 V电压，继而通过运放电阻调理至0～3 V范围进行A/D采样。输入三相电流采样中T相采用与R相同样的方法，S相电流通过R相和T相叠加得到。

1.2 输入输出电压采样电路

由图1可知，该高压变频器输入输出端有电压采集单元，该单元采用高压大电阻限流方式，将高压信号转换为小电流信号输给图3所示电压采样电路，该电路含电流转电压—射极跟随—电平转换—限幅保护四大功能，如图3所示，处理后电压范围为0～3 V，进行A/D采样。

图3 电压采样电路

1.3 输出电流采样电路

当变频器输出侧发生短路或电动机堵转时，变频器将流过很大电流，从而造成电力半导体损坏。为了防止过电流，变频器中必须设有输出过流保护电路。由于光电耦合器的发光二极管为电流驱动器件，因而应以电流环路的形式进行传送，而电流环路是低阻抗电路，其对噪声的敏感度较低，因此提高了电路的抗干扰能力。输出电流采样电路如图4所示，接霍尔器件，获取－4～+4 V电压信号，接运放后转换为－2～+2 V，后通过线性光耦隔离，将该电压信号以电流环路形式传送，电压范围不变。其中一路给电压调理电路，接DSP A/D采样，实现参数实时显示;另一路给过流检测电路，以使主控DSP关断开关器件，实现过流保护。

图4 输出电流采样电路

2 DSP功能实现

2.1 DSP 功能框图

该采样板DSP芯片需完成输入输出电流电压A/D采样算法，电压频率捕获，与主控芯片CAN通信，以及调试时与上位机进行485通信，此外还需要接光耦和继电器控制外部器件。DSP功能框图如图5所示。

图5 DSP功能框图

2.2 A/D转换结果及算法实现

该DSP具有12位转换精度的A/D转换模块，参考电压为0～3 V，A/D转换结果可由式(1)进行计算。假设:A/D结果寄存器转换数字为X，输入模拟电压为UA0，则转换结果X为

有效值UX为

由于变频器输入输出信号波动较大，采用多次采样去算数平均值方法，结果如下:

由于采样电路得到的信号是一个周期函数，由基波、谐波、恒定直流分量组成，必须采取措施滤去谐波分量和直流分量。该DSP时钟可达100 MHz，可满足FFT计算量大，对CPU速度要求高的条件。在傅氏算法中，设周期函数u(t)=u(t+T)，周期为 T，满足[0，T]区间上绝对可积，则u(t)可展开级数:

将连续积分公式离散化为下面的求和公式:

式中:n为信号所包含的n次谐波，N为每周期采样的点数。取n=1即基波，N=36，即36点采样，得到基波36点傅氏计算公式:

展开后得到电压的实部和虚部，每个周期从0°开始相距10°的36个等距采样值(电压瞬时值)，则

由于傅氏算法具有滤去恒定直流分量，并且对二次以上的谐波具有良好滤波作用，对基波计算精度也相当可观。因此本文采用傅氏算法。

2.3 A/D转换程序实现

图6 A/D转换程序

该DSP主要功能为A/D采样算法，具体思想如图6所示。A/D转换精度直接影响着系统能否可靠动作，为了提高转换精度，系统每个周期采样36点，使其误差控制在±5°。通过定时器T1计数来控制A/D转换起动时间间隔，从而控制A/D转换速度，T1计数值计算公式为

2.4 数据结果分析

本文通过外部模拟电路给定三相交流电压电流信号，验证该FFT算法精度，测试数据如表1所示。数据结果表明三相交流电压电流采样精度均可控制在误差±5%以内。

表1 三相信号转换结果

3 结语

本文介绍了以TMS320F2808 DSP为控制核心的三相交流采样电路。通过对硬件电路设计和软件编程，完成了对高压变频器输入输出电压和电流采集处理。模拟给定A/D采样FFT滤波运算后得到的数据表明，采用该采样算法进行数据采集获得的电压、电流参数，具有较好的精度和稳定性，表明该电路具有一定的实用价值。

[1]孙肖子.电子设计指南[M].北京:高等教育出版社，2006.

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