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1、摘要: 由于三相交流异步电动机具有优良的性能，因此其在工业场合应用广泛。所讨论的调速系统以三相交流异步电动机为被控对象，以TMS320LF2407A （16 位定点DSP 芯片）为处理器，采用智能功率模块PM10CSJ060,通过SPWM 技术对交流电机进行恒压频比控制，设计并实现了基于DSP 的变频调速（Variable Velocity VariableFrequence，简称VVVF）控制系统。关键词: 异步电动机；变频调速；脉宽调制/ 数字信号处理器；恒压频比控制引言在工矿企业中，电动机是应用面最广、数量最多的电气设备之一，因而电机的运动和控制与企业的产品质量和效益密切相关。交流变频调
2、速技术是电力电子技术、微电子技术、控制技术高度发展的产物。交流变频调速技术的优越性体现在节电显著和调速性能卓越两个方面。针对这一情况，设计了基于DSP TMS320LF2407A 及智能功率模块PM10CSJ060的交流电机变频调速系统。TMS320LF2407A 是专为电机控制而优化设计的单片DSP 控制器，它不仅具备强大高速的运算处理能力，而且在片内集成了丰富的电机控制外围部件，如事件管理器、PWM产生电路、ADC 转换模块等，这为实现交流电机变频调速控制提供了极大的便利。而智能功率模块（Intelligent Power Module，简称IPM）将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检
3、测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路PIC 的一种。设计中采用恒压频比控制法实现了调速，其算法简单，控制灵活，是一种较为实用的方法。第一章、概论11 DSP的发展趋势在计算机技术日新月异的时代，嵌入式系统软件、硬件不断进行着新的突破性发展。如今DSP操作系统和DSP应用已经成为当今嵌入式系统应用领域中最热门的技术，是高校、科研院所和高新技术企业的DSP软件、硬件开发人员的新的课题。 DSP实时嵌入式操作系统是一种实时的、多任务的操作系统软件，它是DSP系统（包括硬、软件系统）极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口。 目前，DSP实时操作系统的品种较多
4、，据统计，仅用于信息电器的DSP操作系统就有10种左右。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。DSP技术应用前景将非常广阔。DSP应用产品具有巨大的市场需求前景，仅就美国市场而言，据估计，21世纪将有1亿辆汽车、几千万台个人通信装置、每个家庭中520个联网的家用电器以及数以百万计的工厂使用DSP系统。业界分析家认为，DSP系统在IP电话、游戏装置和手持式通信装置的推动下将会有突飞猛进的发展。DSP系统不仅在传统的工业控制、通信和图象处理领域有极其广泛的应用空间，如智能工控设备、POS/ATM机、IC卡等，而且
5、在信息家电领域的应用更具有极为广泛的潜力，例如机顶盒、变频冰箱、变频空调等众多的消费类和医疗保健类电子设备，以及在车载盒、智能交通等领域的应用也呈现出前所未有的生机。 （1）信息家电领域机顶盒、变频冰箱、变频空调等众多的消费类和家庭医疗保健类电子设备将在未来几年取得快速发展，信息家电的个性化、区域化以及季节化的趋势，为特定应用的DSP操作系统提供了应用发展空间。信息智能家居是未来发展的方向，估计几年内将得到快速发展。 （2）医疗仪器领域大量医疗仪器的应用，如心脏起搏器、放射设备及分析监护设备，都需要RTOS的支持，像各种化验设备，如肌动电流描记器、离散光度化学分析、分光光度计等，都需要使用高性
6、能的、专用化的DSP系统来提高其精度和速度。引入DSPRTOS后，现有的各种监护仪的功能与性能都将得到大幅度的提高。 （3）智能汽车领域随着无线通信与全球定位技术的日益成熟和广泛应用，集通信、信息、导航、娱乐和各类汽车安全电子系统于一体的车载盒会成为下一代和未来汽车的发展方向。由于足够的市场需求，车载盒必将成为近年来发展的热点，DSPRTOS在该领域应用市场的规模未来几年里将迅速增加。 （4）智能交通领域随着人们对环境要求的不断提高，智能交通系统（ITS）必将是新世纪迅猛发展的支柱产业。特定应用的DSP操作系统将是发展智能综合路口控制机、路车交互系统、新型停车系统、高速公路的信息监控与收费综合
7、管理系统的关键技术，其应用将确保智能交通系统的低成本与高性能，大大提高系统的可靠性和智能化程度。 （5） 其它领域的应用，如视频会议系统、全数字电机控制系统（包括直流无刷伺服和交流伺服）、语音压缩、通信等。 DSP的应用离不开DSP操作系统。1.2 变频调速技术的发展交流变频调速技术相对于变压调速等其它方法有着明显的优点:调速时平滑性好，效率高; 调速范围较大，精度高;起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显;变频器体积小，便于安装、调试、维修简便;易于实现过程自动化等优异特性，在实际中得到了广泛的应用。20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时期。最初的交流变频调速理论诞生于20
8、世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件的发展，才促进了变频调速技术向实用方向的发展。70年代，席卷工业发达国家的石油危机，促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器，使变频调速技术有了很大的发展并得到推广应用。80年代，变频调速己产品化，性能也不断提高，充分发挥了交流调速的优越性，广泛的应用于工业各部门，并且部分取代了直流调速。进入90 年代，由于新型电力电子器件的发展及性能的提高、计算机技术的发展以及先进控制理论和技术的完善和发展等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变频调速装置在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行
9、效率及使用的方便性等方面大大超过了其他常规交流调速方式，其性能指标亦已超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。目前 ，交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。变频调速理论己形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。变频装置按变换环节分有交一直一交系统和交一交系统两大类，交一直一交系统又分为电压型和电流型，其中，电压型变频器在工业中应用最为广泛;按电压的调制方式分为脉幅调制PAM(Pulse
10、 Altitude Modulation)和脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)两大类，前者己几近绝迹，目前普遍采用的是后者回.1.3 变频调速系统的方案目前典型的变频调速控制类型主要有四种:恒压频比(v均控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制。下面分别对这四种调速控制类型进行介绍。早期的变频系统都是采用开环恒压比田/卜常数)的控制方式，U/f控制是转速开环控制,无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式，普遍应用在风机、泵类的调速系统中。但是由于这种控制方法是开环控制，调速精度
11、不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降、稳定性变差。异步电动机转差频率控制是一种转速闭环控制。利用异步电动机的转矩与转差频率成正比的关系来控制电机的转矩，就可以达到与直流恒磁通调速系统相似的性能。它的优点在于频率控制环节的输入频率信号是由转差信号和实测转速信号相加后得到的，在转速变化过程中，实际频率随着实际转速同步上升或下降，因此加、减速更平滑，容易稳定。其缺点是由于转差频率控制规律是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式推得的，所以存在动态时磁通的变化不能得到控制、电流相位没有得到控制等差距，使其不能达到与直流恒磁通调速系统同样的性能。本世纪70年代西德F.Blaschke等
12、人首先提出矢量控制(FOC)理论，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河1习。矢量控制也称为磁场定向控制，它着眼于电机磁场的直接控制。其主要思想是将异步电动机模拟成直流电动机，通过坐标变换的方法分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，实现正交或解祸控制，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。但在实际上矢量控制运算及转子磁链估计中要使用电动机参数，其控制的精确性受到参数变化的影响，所以精确的矢量控制系统要对电动机的参数进行估计。这种控制方式需要解祸计算和坐标旋转变换，计算量较大，实现起来困难。在矢量控制系统
13、中，给定量要从直流变为交流，而反馈量要从交流变为直流再加上转子磁链模型、转子参数的辨识与校正等;因此电机的速度辨识及磁链观测器的实现是矢量控制系统实现的关键所在。1985年德国鲁尔大学DePenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同，DTC摒弃了解祸的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节器产生脉宽调制(PWM)信号，
14、直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。这种方法的优点在于:直接在定子坐标系上分析交流电动机的数学模型、控制电动机的转矩和磁链，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。但是由于直接转矩控制系统是直接进行转矩的砰一砰控制，避开了旋转坐标变换，控制定子磁链而不是转子磁链，不可避免地产生转矩脉动，降低调速性能，因此只能用在对调速要求不高的场合。同时，直接转矩系统的控制也较复杂，造价较高。1.4 本论文的研究内容 本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上，采用电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A，运用变频调速的价厂
15、控制方式和SPWM控制算法，提出了交流电机变频调速系统的总体设计方案，。具体研究工作包括:交流电机变频调速原理的研究;变频调速系统硬件电路的研究和设计，包括主电路、系统保护电路和控制电路;变频调速系统控制软件的研究和设计。第二章交流调速原理2、1正弦脉宽调制(SPWM)控制理论我们期望变频器输出的电压波形是纯粹的正弦波形，但就目前的技术，还不能制造功率大、体积小、输出波形如同正弦波发生器那样标准的可变频变压的逆变器。目前很容易实现的一种方法是：逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波形与正弦波等效，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正
16、弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，有n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效，称为SPWM波形。SPWM波形如图2.1所示：产生正弦脉宽调制波SPWM的原理是：用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图2.2所示，其相交的时刻(即交点)作为开关管“开”或“关”的时刻。正弦波大于三角波时，使相应的开关器件导通；当正弦波小于三角载波时，使相应的开关器件截止。图2.1与正弦波等效的等幅脉冲序列波图2.2 SPWM控制的基本原理图2.2单极性SPWM控制技术采用单极性控制时在正弦波的半个周
17、期内每相只有一个开关器件开通或关断，例如A相的V1反复通断，如图2.3所示。BA图2.3 单极性脉宽调制波的形成(A)调制波和载波 (B)单极性SPWM波形这时的调制情况是：当正弦调制波电压高于三角载波电压时，相应比较器的输出电压为正电平，反之则为零电平。只要正弦调制波的最大值低于三角载波的幅值，由图2.3(A)的调制结果必然形成图2.3(B)所示的等幅不等宽而且两侧窄中间宽的SPWM脉宽调制波形。负半周用同样的方法调制后再倒相而成。单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工作情
18、况正好相反。流经负载Z的便是正、负交替的交变电流，如图2.4所示。图2.4单极性调制工作特点2.3双极性SPWM控制技术双极性调制技术与单极性相同，只是功率开关器件通断情况不一样。图2.5绘出了三相双极式的正弦脉宽调制波形。当A相调制波uAut时，V1导通，V2关断，使负载上的相电压为UA=+U/2(假设交流电机定子绕组为星型联接，其中性点0与整流器输出端滤波电容器的中点0相连，那么当逆变器任一相导通时在电机绕组上所获得的相电压为U/2，见图2.5(b)；当uA低I/O缓冲DR配合/W进行写数据或指令高DRI/O缓冲配合R进行读数据或指令低/低高无动作忙标志:BF BF标志提供内部工作情况.B
19、F=1表示模块在进行内部操作,此时模块不接受外部指令和数据.BF=0时,模块为准备状态,随时可接受外部指令和数据.利用STATUS RD 指令,可以将BF读到DB7总线,从而检验模块之工作状态.4)字型产生ROM（CGROM）字型产生ROM（CGROM）提供8192个此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制。DFF=1为开显示（DISPLAY ON),DDRAM 的内容就显示在屏幕上，DFF=0为关显示（DISPLAY OFF)。DFF 的状态是指令DISPLAY ON/OFF和RST信号控制的。5)显示数据RAM（DDRAM）模块内部显示数据RAM提供642个位元组的空间，最多可控制4行16字
20、（64个字）的中文字型显示，当写入显示数据RAM时，可分别显示CGROM与CGRAM的字型；此模块可显示三种字型，分别是半角英数字型(16*8)、CGRAM字型及CGROM的中文字型，三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，在0000H0006H的编码中（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）将选择CGRAM的自定义字型，02H7FH的编码中将选择半角英数字的字型，至于A1以上的编码将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码形成中文字型的编码BIG5（A140D75F），GB（A1A0-F7FFH）。6)字型产生RAM(CGRAM) 字型产生RAM提供图象定义(
21、造字)功能, 可以提供四组1616点的自定义图象空间，使用者可以将内部字型没有提供的图象字型自行定义到CGRAM中，便可和CGROM中的定义一样地通过DDRAM显示在屏幕中。地址计数器AC地址计数器是用来贮存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由设定指令暂存器来改变，之后只要读取或是写入DDRAM/CGRAM的值时，地址计数器的值就会自动加一，当RS为“0”时而R/W为“1”时，地址计数器的值会被读取到DB6DB0中。7)光标/闪烁控制电路此模块提供硬体光标及闪烁控制电路，由地址计数器的值来指定DDRAM中的光标或闪烁位置。8)指令说明模块控制芯片提供两套控制命令，基本指令如下：指指令码功
22、能令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清除显示0000000001将DDRAM填满20H,并且设定DDRAM的地址计数器(AC)到00H地址归位000000001X设定DDRAM的地址计数器(AC)到00H,并且将游标移到开头原点位置;这个指令不改变DDRAM 的内容显示状态开/关0000001DCBD=1: 整体显示 ONC=1: 游标ON B=1:游标位置反白允许进入点设定00000001I/DS指定在数据的读取与写入时,设定游标的移动方向及指定显示的移位游标或显示移位控制000001S/CR/LXX设定游标的移动与显示的移位控制位;这个指令不改变DDRAM 的内容功能设定0000
23、1DLXREXXDL=0/1：4/8位数据RE=1: 扩充指令操作RE=0: 基本指令操作设定CGRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0设定CGRAM 地址设定DDRAM地址0010AC5AC4AC3AC2AC1AC0设定DDRAM 地址（显示位址）第一行：80H87H第二行：90H97H读取忙标志和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0读取忙标志(BF)可以确认内部动作是否完成,同时可以读出地址计数器(AC)的值写数据到RAM10数据将数据D7D0写入到内部的RAM (DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM)读出RAM的值11数据从内部RAM读取数据D7D
24、0(DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM)扩充指令略备注:当IC1在接受指令前,微处理器必须先确认其内部处于非忙碌状态,即读取BF标志时,BF需为零,方可接受新的指令;如果在送出一个指令前并不检查BF标志,那么在前一个指令和这个指令中间必须延长一段较长的时间,即是等待前一个指令确实执行完成。3.2.6 主电路开关器件选择IRFZ44N:它是用于开关电源，且具有很低的使用状态阻力。具体参数如下：晶体管极性：N沟道晶体管类型：MOSFET 漏极电流Id最大值：49A 电压Vds最大：55V 功耗：83W第四章系统软件设计4.1正弦脉宽调制法系统采用正弦脉宽调制（SPWM）法，其基本思想是使输
25、出的脉冲宽度按正弦规律变化，因此能有效抑制输出电压中的低次谐波分量，使电机工作在近似正弦的交变电压下，且转矩脉动小，大大扩展了交流电机的调速范围。这里采用规则采样法生成SPWM脉冲序列。图4.1规则采样法图4.1 示出规则采样法。其方法是把1 个三角载波uc 周期内的正弦调制波ur 看成不变，在一个三角波周期只需在B点取样一次，这样可使生成的SPWM脉冲的中点与对应三角波的中点，即负峰点A 重合，从而使SPWM脉冲的计算大为简化。下面介绍有关算法。设uc 幅值Uc=1，正弦调制信号ur=Msinrt，其中调制度0M6; I_resulti/I_DIV=*RESULT06;if(adc_res0
26、x3fe)adc_res=0x3fe;if(adc_res1)b_time=1;i+;if(i=I_LOOP)i = 0;asm( CLRC INTM);/* INTERRUPT SERVICE ROUTINES */interrupt void timer2_isr(void) *EVAIFRB = *EVAIFRB & 0x0001; /* clear T2PINT flag */ a=*CMPR1=b_time*pwm_half_per*(0.5+0.5*sin_tableindex_pwm%num_f_d); b=*CMPR2=b_time*pwm_half_per*(0.5+0.5*
27、sin_table(index_pwm+(2*num_f_d)/3)%num_f_d); c=*CMPR3=b_time*pwm_half_per*(0.5+0.5*sin_table(index_pwm+(num_f_d)/3)%num_f_d); /* *CMPR1=pwm_half_per*sin_tableindex_pwm%(num_f_d); *CMPR2=pwm_half_per*sin_table(index_pwm+(2*num_f_d)/3)%(num_f_d); *CMPR3=pwm_half_per*sin_table(index_pwm+(num_f_d)/3)%(n
28、um_f_d); */ index_pwm+;if(index_pwm=num_f_d)index_pwm=0; 4.2.2 SPWN程序：PWM是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。SPWM产生程序及AD模块响应程序如下：#include f2407_c.h #include math.h#includevar.hunsigned int period;unsigned int duty;unsigned int index_pwm=0;unsigned int a,b,c,aaa=0;/* Constant Definitions */#define PI 3.1415926extern float sin_table99;unsigned int adc_res=500;unsigned int I_resultI_LOOP/I_DIV;/*unsigned int Speed_result2048;*/unsigned int i=0;float fv_cn = 0;/*unsigned int T4_NUM0=0;unsigned int T4_NUM1=0;*/* MAIN ROUTINE *
