1 引言
隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，交—交變頻器在傳動系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但也存在一些固有的缺陷，因此研究新型的既有優(yōu)良控制性能和輸入電流品質(zhì)而又成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠的交—交變頻器已成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢。矩陣式變換器是一種直接交—交變頻器，與傳統(tǒng)的自然換流變頻器相比，具有以下優(yōu)點：
（1）無中間直流環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，效率高，便于實現(xiàn)模塊化；
（2）無需較大的濾波電容，動態(tài)響應(yīng)快；
（3）能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動，便于電動機實現(xiàn)四象限運行；
（4）控制自由度大，輸出電壓幅值和頻率范圍連續(xù)可調(diào)；
（5）輸入功率因數(shù)可控，帶任何負載時都能使功率因數(shù)為1.0；
（6）輸出電壓和輸入電流的低次諧波含量較小。
矩陣變換器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 矩陣變換器基本結(jié)構(gòu)圖

由于矩陣變換器特殊的結(jié)構(gòu)決定了輸入相不能短路、輸出相不能開路,使得控制開關(guān)之間的切換帶來了相當(dāng)大的難度。
dsp具有高速、高精度的特點，可采用高級語言編程，實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略。并且內(nèi)置有pwm接口，可以方便地實現(xiàn)對各個雙向開關(guān)的控制，多種通訊接口，可滿足上位機對控制器的參數(shù)設(shè)定。

2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，三相電源經(jīng)過rc阻容吸收保護、浪涌保護電路后，輸入到開關(guān)矩陣。另一方面，電源經(jīng)過電壓過零檢測后，送入控制器，由主控制器接收處理后，對雙向開關(guān)發(fā)出控制脈沖。為了保證控制器工作可靠，以及保證雙向開關(guān)通斷邏輯正確，對控制器的輸出信號設(shè)置了鎖存、譯碼、隔離驅(qū)動等電路。在開關(guān)矩陣的輸出端安裝霍爾傳感器，檢測輸出電流，并反饋給主控制器，進行輸出電流控制。上位機在系統(tǒng)運行前，可對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)定，如預(yù)期的輸出電壓、電流、頻率等。

圖2 矩陣變換器系統(tǒng)框圖

（1）主控制器的選取
ti公司的tms320f2808控制器是32位dsp，具有以下特點：100mhz的工作頻率，3.3v工作電源（內(nèi)核電源1.8v），低功耗；內(nèi)置64k×16flash，18k×16 saram；內(nèi)置鎖相環(huán)和看門狗定時器；控制器內(nèi)部有6個32位定時器，16路pwm輸出，4個cap高速脈沖捕捉口，4個spi口，2個sci口，2個can口，1個i2c總線；控制器內(nèi)部自帶有一個16通道的12bit的a/d轉(zhuǎn)換口，轉(zhuǎn)換速度可達到6.25msps，35個通用i/o口，支持43種外設(shè)中斷請求；另外，該控制器支持匯編語言、c語言以及c++語言，且?guī)в?28位的密碼保護，用戶在燒寫程序的時候，可將密碼一起燒寫到flash存儲器中。該控制器與ti公司的16位dsp tms320f2407相比較：舍棄了擴展用的地址總線、數(shù)據(jù)總線等，結(jié)構(gòu)簡單，引腳少，性能大大提高，但是成本卻相差不大。
（2）電源狀態(tài)檢測電路
電源狀態(tài)檢測電路其實是檢測兩相電壓的過零點，以確?？刂破髟谡_的時刻輸出pwm脈沖控制信號。如圖3所示，輸入電源經(jīng)過同步變壓器降壓后，輸入到過零比較器lm118，過零比較的輸出信號經(jīng)過光隔6n136隔離并調(diào)壓后，作為dsp的cap口捕捉信號。

圖3 電源狀態(tài)檢測電路

（3）開關(guān)互鎖及譯碼電路
為了保證開關(guān)矩陣的正常工作，在dsp與驅(qū)動模塊之間添加了開關(guān)互鎖和譯碼電路。其原因如下：開關(guān)矩陣有9個雙向開關(guān)，每個開關(guān)有兩個igbt。如果每個igbt都要dsp的一個輸出口來控制，程序會很煩瑣，若采用編碼方式，則程序運行速度加快，控制精度提高；
dsp在上電和復(fù)位時，所有的輸出口都是高電平，如果直接用電平開啟igbt，則在dsp上電和復(fù)位時所有的igbt都會被打開，會導(dǎo)致相間短路，所以要求此時所有的igbt均處于關(guān)斷狀態(tài)；矩陣變換器的輸入側(cè)不能短路，任一輸出相有且只有一個開關(guān)導(dǎo)通，以防止因偶然因素誤觸發(fā)而導(dǎo)致相間短路。
考慮到以上原因，用編碼的方式控制矩陣開關(guān)，a0a1控制u相的三個雙向開關(guān)，a2a3控制v相的三個雙向開關(guān)，a4a5控制w相的三個雙向開關(guān)。對于每相的3個開關(guān)，01表示第一個開關(guān)，10表示第二個開關(guān)，11表示第三個開關(guān)，00表示關(guān)閉開關(guān)。這樣，既減少了輸出口，又實現(xiàn)了在每一時刻每相輸出端最多開通一個開關(guān)的互鎖功能。開關(guān)互鎖譯碼電路由譯碼器和反相驅(qū)動器構(gòu)成（見圖4）。

圖4 開關(guān)互鎖譯碼及電路

dsp的a口輸出信號a0-a5送74ls373鎖存器，a6和a7經(jīng)74ls04反相器后接373的clr和clk。當(dāng)cpu上電/復(fù)位時，373被封鎖,輸出全0保證igbt的關(guān)斷。當(dāng)dsp進入工作狀態(tài)后，373封鎖解除，在a口狀態(tài)改變后，clk狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，則輸出被傳送出來。373 的輸出信號經(jīng)過3個2/4譯碼器74ls139譯碼和反相器74ls04驅(qū)動，還原成9個雙向開關(guān)的控制信號swith1至swith9去控制相應(yīng)的雙向開關(guān)。
（4）電流檢測

圖5 a/d基準電源電路

在矩陣變換器的輸出端安裝霍爾傳感器，將檢測到的電流反饋到dsp的a/d輸入端。其中a/d的參考電源是至關(guān)重要的，參考電源的穩(wěn)定性和精確性，直接影響到轉(zhuǎn)換結(jié)果的穩(wěn)定性和精確性。圖5中采用lt1009作為參考電源芯片，它的輸出電壓是2.5v，在工業(yè)級溫度范圍內(nèi)最大誤差為0.5％，具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。
(5)上位機對系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)
本系統(tǒng)通訊部分利用dsp的sci口與上位機通信。電路如圖6所示。通訊芯片采用65lbc184，由于dsp只是接收數(shù)據(jù)，因此，184的讀使能禁止。由于dsp的i/o高電平是3.3v的，所以scitxd信號經(jīng)過三極管9013的電平轉(zhuǎn)換后，才能作為184的輸入信號。184的輸出接上拉和下拉電阻，提高通訊可靠性。

圖6 上位機與dsp的通訊電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)運行后，首先初始化系統(tǒng)寄存器。然后循環(huán)等待，等待中斷的出現(xiàn)。本程序有3個中斷子程序：通訊中斷子程序、cap口中斷子程序、通用定時器1中斷子程序（用于定時進行a/d轉(zhuǎn)換）。流程圖分別如圖7所示。

圖7 3個中斷子程序框圖

3 實驗結(jié)果
筆者給矩陣變換器加以三相200v 50hz的交流電，得到了一些實驗結(jié)果，用數(shù)字示波器看到了如圖8,9波形所示。從實際的實驗情況來看，該矩陣變換器的輸出頻率可以從0～200hz可調(diào)，輸出電壓波形對稱性好。且輸出電壓和頻率均可在線調(diào)節(jié)。

圖8 濾波前、后相電壓波形

圖9 兩相電壓波形

4 結(jié)束語
驗證了前面述及的矩陣變換器的優(yōu)點，利用高性能的dsp作為控制器使該系統(tǒng)在快速性、可靠性方面有了保證，系統(tǒng)參數(shù)可由上位機設(shè)定，且可在線修改。