摘要：门机变频器是专门用于控制门机系统的变频器，基于此，本文详细探讨了门机变频器三电阻电流采样及合成方法。
关键词：门机变频器；三电阻电流采样；合成方法
门机变频器是一种集交流变频器和驱动控制器为一体的门机控制器，该控制器具有可靠性高、控制灵活、成本低、体积小等优点。此外，门机变频器电流采样在实现变频器的控制和保护中是十分重要的环节，为VVVF控制过流保护和矢量控制电流反馈控制等提供了依据。
一、变频器简介
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。它主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元及微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，以达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了较为广泛的应用。
二、三电阻电流采样电路
1、门机变频器原理。门机变频器的基本原理是，整流模块把输入的220V的交流电变成直流电，通过滤波模块消除纹波，供给IGBT模块使用。IGBT模块是控制单元的执行者，直接关系到变频器的性能。故障检测模块用来实时监控模块的工作状态，一旦控制单元检测到故障信号，及时做出反应。保护电路模块用来保护整个电路的工作状态，防止过压、欠压、过流和欠流等。驱动单元模块是将控制单元输出的6路PWM送到IGBT模块控制6个IGBT开关。操纵盘用来发出指令给控制单元。显示模块用来显示控制单元中用户定义的各种信号。控制单元采用TMS320F2812 DSP芯片，该芯片采用了先进的哈佛总线结构，特点是将程序和数据存放在不同的存储空间，以提高数据的吞吐率。
在工业控制方面，TMS320F2812有以下特点：①处理速度快，主频能达到150 MHz；②片内自带SRAM、FLASH，节省成本，简化外部电路的复杂性；③众多的外部模块；④大量的可控制的GPIO口，方便控制外部设备。
DSP中的事件管理器EV是典型的扩展功能模块，适用于运动、电机控制等领域。事件管理器模块包括通用定时器、全比较/PWM单元电路、捕获单元及编码脉冲电路。利用这些单元便于实现电机的控制。
图1为门机变频器的逆变部分，P代表直流母线的正极，N代表直流母线的负极。图中虚线框内为下桥臂的3个电流采样电阻。此处，采样电阻R1、R2和R3的选取要考虑电阻的稳定性能，需具有低温漂系数，在长时间工作时，不能影响阻值变化。采样电阻的阻值要足够小，阻值误差也要小，以保证电阻上产生的功耗达到可忽略的程度。
图1
2、采样电流信号调理电路。当下桥臂有电流时，电流经采样电阻，在采样电阻上形成电势差。门机变频器属小功率变频器，即变频器的额定电流会较小，而采样电阻的阻值也较小，因此在采样电阻上形成的电势差会较微弱，因而需放大处理。且电阻上的电流呈现正弦波，从而使形成的电势差也为正弦波，有正负状态。根据DSP的I/O特性，输入电压只能保持在0～3.3V。因此利用5V的基准电压源构成分压电路，提供偏移电压给运算放大器，使运算放大器输出电压保持在0～3.3V。电路中的2个二极管起到电压钳位作用，使送入DSP管脚的电压保持在0～3.3V，防止出现DSP引脚的电压小于OV或大于3.3V损坏DSP的A/D模块。为进一步增加设计产品的可靠性，还可利用电压比较器，设计1个电压阈，上阈为过压点，下阈为欠压点，保证输出电压始终处于一定的范围。
三、三电阻电流采样及合成方法
1、电流采样。根据逆变器驱动设计的特点，采用三相全桥控制电路及DSP(TMS320F2812)中专门为电机控制设计的事件管理器模块EVA模块。将EVA中的通用定时器T1作为3个全比较单元的时基来控制3个全比较单元输出PWM波，驱动逆变器的3个桥臂。
设定PWM1、PWM3、PWM5输出均是高电平有效，当计数器T1CNT的值和比较单元的比较寄存器CMPRx的值相等时，发生比较匹配，PWM路输出电平发生翻转。而PWM2、PWM4、PWM6分别是PWM1、PWM3、PWM5的对应互补输出。在计数器TICNT的值为零时，发生下溢中断TIUFINT，启动电流采样信号。PWM2、PWM4、PWM6路此时输出均是高电平，即逆变器的3个下桥臂导通，可进行下桥臂的电流采样。
此种电流采样方式是针对门机变频器这类小功率变频器设计。为便于较好地进行下桥臂的电流采样，选择电压正弦PWM(SPWM)双极性信号调制方式。这种调制方式使变频器结构简单、电网功率因数高、系统动态响应快、输出波形好，能消除窄脉冲的影响，使逆变器能输出较好的电流波形，便于信号的后续处理。
2、采样电流合成。本文采用SPWM信号调制方式，需不断改变占空比，即需不断改变CMPRx值，在TICON控制寄存器设定TCLD1和TCLDO为01，在计数寄存器TICNT等于周期寄存器的值时装载。若需改变变频器的频率，即改变TIPR的值，在周期中断里改写，DSP会在TICNT完成一个周期计数，值为零时，由周期阴影寄存器中自动装入。
在下桥臂电流采样时，信号会受硬件电路感性负载及电路中的容性器件影响，导致输出信号波形发生畸变，因而电流采样后需借助进一步的合成。电流合成的基本思路是：在下溢中断TIUFINT中实时比较CMPR1、CMPR2、CMPR3三者的值。可能受到采样开关、A/D采样窗口及下桥臂高电平保持时间等因素的影响，所以电流采样后舍去CMPRx中较小一路采样的电流值，根据3路电流值之和为零，这一路电流值由另外的2路电流值合成。合成的电流更符合逆变模块的输出电流，反映出负载真实的电流，以便DSP做出实时监控及保护。
四、实验结果
本实验以三相笼型异步电机为负载，根据规则采样的特点，在采样点上对应的调制波数值越大，意味着此时脉宽越宽。根据采样开关时刻表，得出此时刻3个调制波的数值并进行比较，找出最小值后再与另一路调制波的数值比较，决定开关switch两路电压信号哪一路输出。此外，在实际应用中，DSP中的A/D采样需占用时间，采样开关及后续处理也需占用时间，故此种采样方式能大幅度提高精度。
为方便做出比较，把采样的电压信号变换成电流信号，同时进行反相放大。图2、3分别是变频器输出电流和下桥臂采样合成后的电流。对比发现，图3的信号和图2的信号波形基本相同，特别是在波形稳定后，两者更易作出比较，证实这种合成方法可行。仿真是在理想情况下进行，在实际应用中由于变频器的三相异步电机是感性负载，会造成一定时间的滞后，但滞后时间有限，不会影响在实际工程中的应用。
图2
图3
综上所述，门机变频器在门机变频调速系统中用于驱动交流异步电动机，将三相交流电流通过整流器进行全波整流和滤波，得到直流电源电压，再通过逆变器将直流电流转换为频率、电压均可调的三相交流电，采用SP-WM调制方式使输出电压为正弦波，以减少高次谐波、降低噪声、抑制电机发热，从而有效保证电梯的安全平稳运行。
参考文献：
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