三相交流电机变频调速控制器的设计dsp课程设计报告(编辑修改稿)

三相交流电机变频调速控制器的设计dsp课程设计报告(编辑修改稿)内容摘要：

这种型号的 MOS 管。 IRFZ44N 的基本参数如下： 晶体管极性： N 沟道 漏极电流， Id 最大值： 49A 三相交流异步电动机变频调速系统的硬件 设计 12 电压， Vds 最大： 55V 开态电阻， Rds（ on）： 电压， Vgs 最高： 21V 功耗： 83W 额定电压的确定 ： 1. 漏极至源极间可能承受的最大 电压即 Vds 2. 在整个工作温度范围内 电压的变化范围 3. 需要考虑的其他安全因素：如电机线圈 产生的感应电动势。 由上述条件结合本设计实际供电电压为直流 24V，考虑最坏情况下，同桥臂两晶闸管同时导通使电源短路时，两晶闸管承受全部电压，每个晶闸管 承受最大电压为 12V。 加上一定裕量 IRFZ44N 额定电压 能满足要求。 额定电流的确定 ： 流过晶闸管 的电流分为两种： 连续导通 下， MOSFET 处于稳态，此时电流连续通过器件 ； 脉冲尖峰脉冲，尖峰是指有大量电涌（尖峰电流）。 主电路中采样电阻阻值为 ， 晶闸管 内阻 ，保护电路稳压管电压 5V，同桥臂两 晶闸管 同时导通使电源短路时，两 晶闸管 承受电压为 5V，每个 晶闸管 承受最大电压为。 流过 晶闸管 电流约为 21A，加上一定裕量 IRFZ44N 额定电流完全能满足要求。 驱动电路的设计 逆变器己广泛用于交流电气传动、 UPS 等许多技术领域中 ,其主电路开关器件常采用 MOSFET 或 MOSFET 等全控型器件 ,该器件的开关动作需要靠独立的驱动电路来实现 ,并且要求驱动电路的供电电源彼此隔离 (如单相桥式逆变主电路需3 组独立电源 ,三相桥式逆变主电路需 4 组独立电源 ),这无疑增加辅助电源的设计困难和成本 ,同时也使驱动电路变得复杂 ,降低了逆变器的可靠性。 采用如EXB840 等专用厚膜集成驱动电路芯片虽然可以简化驱动电路的设计 ,但每个驱动芯片仍需要一个隔离的供电电源 ,且每个芯片仅可驱动一个功率开关器件 ,应用仍有不便。 而美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片 IR2130 只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的 6 个功率开关器件 ,可以使整个驱动电路简单可靠。 三相异步电机变频调速控制器的设计 13 IR2130 驱动芯片特点 IR2130 可用来驱动工作在母电压不高于 600V 的电路中的功率 MOS 门器件 ,其可输出的最大正向峰值驱动电流为 250mA,而反向峰值驱动电流为 500mA。 它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络 ,使用户可方便的用来保护被驱动的 MOS 门功率管 ,加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统 ,它还可对同一桥臂上下 2 个功率器件的门极驱动信导产生 2s 互锁延时时间， 自动产生成上、下侧驱动 所必需的死区时间（ ）。 它自身工作和电源电压的范围较宽 (3～ 20V),在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器 ,电路设计还保证了内部的 3 个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用 ,亦可只用其内部的 3 个低压侧驱动器 ,并且输入信号与 TTL 及COMS 电平兼容。 VB1～ VB3:是悬浮电源连接端 ， 通过自举电容为 3 个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源 ,VS1～ VC3 是其对应的悬浮电源地端。 HIN1～ HIN LIN1～LIN3:逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端 ， 低电平有效。 ITRIP:过流信号检测输入端 ,可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。 CAO、 Vso:内部放大器的反相端、输出端和同相端 ,可用来完成电流信号检测。 HO1～ HO LO1～L03:逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。 FAULT:过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。 它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。 IR2130 的逆变电路结构 采用 IR2130 芯片驱动逆变器功率管时 ， 其基本主电路结构不需要改变 ， 仍可用典型的三相电压型逆变器电路 ,图中 C 是 自举电容 ,为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量 ,D的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到 IR2130的电源上而使器件损坏 ,因此 D 应有足够的反向耐压 ,当然由于 D 与 C 串联 ,为了满足主电路功率管开关频率的要求 ,D应选快速恢复二极管。 IR2130的 HIN1～ HINLIN1～ LIN3作为功率管的输入驱动信号与单片机连接 ,由单片机控制产生 PWM控制信号的输入 ,FAULT 上 连接一个 LED 指示灯， 当发生故障时，可以 很方便 的观察到。 其容量取决于被驱动功率器的开关频率、占空比以及充电回路电阻 ,必须保证电容充电到足够的电压 ,而放电时其两端压不低于欠压保护动作值 ,当被驱动的开关频率大于 5kHz 时 ,该电容值应不小于 F,且以瓷片电容为好。 三相交流异步电动机变频调速系统的硬件 设计 14 图 MOS 驱动电路 原理图 IR2130 的 死区 设定 IR2130 芯片可以自动生成所需的死区时间，以防止上下桥臂同时 导通 导致的短路，典型的死区时间为。 保护 电路 的 设计 IR2130 驱动芯片上自带一个过流检测引脚，可将电流采样电阻的电压经过电阻分压之后接入 ITRIP 引脚。 当电阻分压之后的电压高于 时， IR2130会自动关闭输出，保证电机和电路不会因过流而损坏。 电路如图所示。 图 保护电路 三相异步电机变频调速控制器的设计 15 电压 电流检测电路 由于 电机各相的工作电压较高，而 DSP 的 AD 输入 电压只有 所以 将 各相电压经过电阻分压之后再输入 AD 接口。 电流 检测 采用了 检流 电阻， 当电流通过电阻的时候会产生电压降， 再 将电压送入运放 处理 之后输入单片机的 AD 接口。 图 电流电压采集电路 显示电路 为了将当前 的设定转速 和 检测 到 的电压电流显示出来，我们采用了 1602 显示屏。 1602 显示屏 相比起 数码管显示 具有 显示 内容多， 显示 方式 灵活的 特点。 此外 1602 采用的是 串行输入 ，控制 方式简单。 1602 液晶显示器是工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字符（ 16 列 2 行）。 硬件 连接上，直接 将 DSP 的 IO 口和 1602 引脚 连接即可。 此外 ，为了调节1602 的 对比度，还需要 电位器。 图 1602 显示电路 三相交流异步电动机变频调速系统的硬件 设计 16 按键 输入电路 按键 输入电路 由 四个 带有 上拉 电阻的按键 输入 DSP 的 IO 口 实现。 目的是 为了通过按键选择电机的 正反转 ，启动 与停止。 图 按键原理图 电位器调整 转速 转速调整 由 电位器 分压输入 DSP 的 AD5 实现。 采样后的 电压换算成 电机 的输入电压 系数。 图 电位器 电压采集电路图 基于 SPI 的 EEPROM 数据存储 X25040 为 XICOR 公司生产的 4KbitSPI 串行 EEPROM。 其最大时钟速率为2M，适合与 SPI 三线传输模式。 控制引脚连接说明 ： CS（ 1 脚）片选信号―――受控 T9MS320LF2407A 的 XF 输出 WP（ 3 脚）写保护信号―――受控于 TMS320LF2407A 的 IOPC5 输出 三相异步电机变频调速控制器的设计 17 图 EEPROM 的 引脚连接原理图 X25040 的 SPI 操作基本采用无延时时钟触发方式，主机在 CLK 的上升沿发送数据在 CLK 的下降沿接收数据。 部分 TMS320LF240x 器件包括带 4 个引脚的串行外设接口（ SPI）。 SPI 是一个高速、同步串行 I/O 口，它允许长度可编程的串行位流（ 1～ 16 位）以可编程的位传输速度移入或移出器件。 通常 SPI 用于 DSP 处理器和外部外设以及其他处理器之间的通信。 典型的应用包括通过诸如移位寄存器。 显示驱动器、 DAC以及日历时钟等器件所进行的外部 I/O 或器件的扩展， SPI 的主 /从操作支持多处理器通信。 SPI 模块的特性包括 : 4 个外部引脚： SPISOMI:SPI 从动输出 /主动输入引脚； SPISIMO:SPI 从动输入 /主动输出引脚； SPISTE:SPI 从动发送使能引脚； SPISLK:SPI 串行时钟引脚。 注意：，在不使用 SPI 模块是，这 4 个脚都可作一般 I/O 引脚。 两种工作方式：主动或从动工作方式。 波特率： 125 种可编程的波特率，在 CPU 时钟方式下，当频率为 30MHz 时，波特率可达。 数据字长： 1～ 16 个数据位。 4 种时钟方案（由时钟极性和时钟相位控制）包括： 无延时的下降沿：串行外设接口在 SPICLK 信号下降沿发送数据，而在SPICLK 信号上升沿接收数 据。 有沿延时的下降沿：串行外设接口在 SPICLK 信号下降沿之前的半个周期时发送数据 ，而在 SPICLK 信号下降沿接收数据。 无延时的上升沿：串行外设接口在 SPICLK 信号上升沿发送数据，而在SPICLK 信号下降沿接收数据。 三相交流异步电动机变频调速系统的硬件 设计 18 有沿延时上升沿：串行外设接口在 SPICLK 信号上升沿之前的半个周期时发送数据 ，而在 SPICLK 信号上升沿接收数据。 发送和接收操作可通过中断或查询方法来完成。 电源电路 TMS320LF2407ADSP 芯片为低功耗芯片，所有引脚中除 VCCP 引脚在对Flash 编程时接 5V电压外，其他供电电源引脚供电电压均为。 如果有必要， 电源电压经过一个 T 型低通滤波器（截止频率 10MHz）后再连到 PLLVCCA引脚。 本设计中用 两个 线性 稳压元件 为核心芯片设计电源转换电路。 其输入电压5V，输出电压。 电源电路的原理图如图所示 . 图 电源电路原理图 此外 ，系统当中的 IR2130芯片 等还需要 12v 和 5v 供电， 由于 这些 芯片 对电源质量要求不高，所以本设计中 采用两个集成 了功率器件的开关电源芯片构成 12v 和 5v 电源。 具有 体积小功率大，发热 小 的优点。 图 12V 及 5V 降压原理图 三相异步电机变频调速控制器的设计 19 第 4 章 三相交流异步电动机变频调速系统控制软件的设计 系统程序框图 程序由主循环和 中断程序组成 ，以下 是 它们 的流程图。 图 系统 程序 流程图 PWM 的 实现 程序 采用 事件管理器模块 A（以下简称 EVA）中的通用定时器 1 及与之相关的比较单元产生 PWM 波。 EVA 的定时器 1 都有 3 各与之相关的比较单元：比较单元 比较单元 2 和比较单元 3，每个比较单元都有一个相应的比较寄存器： CMPR1， CMPR2 和 CMPR3。 每个比较单元都可以单独设置成比较模式和 PWM 模式，设置为 PWM 模式时，每个比较单元有两个极性相反的 PWM 输出。 因此利用 TMS320LF2407 的事件管理器模块可以实现对三相桥式逆变电路的 PWM 控制。 在周期寄存器 T1PR 的值一定的情况下，通过改变比较寄存器的值就可以改变矩形脉冲的宽度。 在 程序中，我们设定定时器 1 为连续 增减模式， 通过 设定 T1PR 寄存器确定 20kHz 的载波 ，并通过 改变 CMPRx 的值 来 该那边 PWM 波的占空比。 三相交流异步电动机变频调速系统的软件 设计 20 SPWM 的产生 在程序 当中， 采用 了查表的 方式 ，建立一个 数组 ，将一个 周期 的正弦波分成 33 份， 并将各 点幅值 存入数组 ，再按照 需要依次幅值给 比较 寄存器以 产生 SPWM 波。 具体程序的实现方法如下： 使用 TIMER2 定时器 产生一个中断，在中断当中控制计数变量 index_pwm每次自加一，并用这一变量的数值查表更新 CMPRx 的比较值，当 index_pwm 达到设定的一周期数量 33时清零，完成一个周期 SPWM 的产生。 如需改变正弦波的周期，仅需要改变 TIMER2 的中断周期即可。 设定 转速 LED 显示 的实现 程序中的设定转速由 AD 采样回来之后，换算成 b_time 这个 0 到 1 的 电压系数，并由它直接控制 SPWM 的输出电压。 所以用 b_time 作为控制 LED 的变量。 程序如下： LED = ~(1 (8(int)(b_time * 8)))。 将 b_time 的值扩大 8 倍之后取整，将转速换算成 0 到 7 的整数。 由于电路上，低位 LED在最上方，所以再将 8 减去换算得到的值。 最后将 1 向左移位换算得到的位数。 由于 LED为共阳的连接方式，所以再取反一次，并最终复制给设定好的 LED 端口，完成转速的显示。 三相异步电机变频调速控制器的设计 21 附录 一 程序 include include include unsigned in。