基于dsp的交流电机vvvf控制器的设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于dsp的交流电机vvvf控制器的设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

率 fs下降时，电源电压 Us 成比例的下降，引起 Us下降过低，而采用适当提高电压 Us，以保持磁通量φ m 恒定，从而使电机的转矩回升。 当供电电源的频率增加到额定频率 fsN以上时，但是电源电压 Us不能继续上升，只能维持在额定值 UsN 处，这就使得磁通量φ m将随着频率 fs（或转速）的升高而成反比例的下降，即相当于直流电机的 弱磁升速的状态。 磁通量的下降会使电机转矩下降，直接造成电机的机械特性变软，为此，一般都是在额定频率fsN 以下（也即低于电机的额定转速）用恒转矩调速，在额定频率以上（也即高于电机的额定转速）用恒功率调速。 具体 U/f 曲线的选择参见图 23所示。 图 23 通用变频器的 U/f 曲线 基频以下调速一恒压频比控制 在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。 因为如果磁通太弱，没有充分利用电机铁心，这是一种浪费。 如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流， 严重时会使绕组因过热而损坏电机。 对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应进行适当补偿，保持磁通恒定是很容易做到的。 而在异步电动机中，磁通是定子和转子磁动势合成的，故要达到磁通恒定的目的就困难得多。 、 由 (22) 式可知，要保持Φ m恒定，当频率 f1 从额定值 f1n 向下调时，必须同时降低 Eg，使得 （ ） 然而，绕组中的感应电动势是难于直接控制，当电动势的值较高时，可以忽 略定子压降，而认为定子相电压 U1≈ Eg，于是有 （ ） 这就是所谓恒压频比控制方式。 基频以上调速一弱磁升速 在基频以上调速时，频率可以从 f1n 向上增大，但由于电机绝缘上的原因，电压 UI 一般不能超过额定电压 U1N，最多只能保持 UI=U1N，而由式 2 一 3 可知， 要使电机转速大于额定转速，必须使电机磁通低于额定磁通，这相当于直流电机 的弱磁升速 正弦脉宽调制（ SPWM）技术 电压 SPWM 调制 电压 SPWM 脉冲宽度调制技术，顾名思义就是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流 电压变成电压正弦波的输出，实现变压、变频控制并且可以较好的消除谐波。 SPWM(正弦脉宽调制波 )是将正弦波变成宽度渐变的脉冲波，其中的脉冲波的宽度变化规律完全符合正弦的变化规律。 正弦脉宽调制方法也叫三角波调制法，产生原理是采用一组等腰三角形波信号（载波）与正弦波信号（调制波）通过比较器进行比较，其交点时刻作为开关管的导通和关闭时刻，当调制波（正弦波）大于载波（三角波）时，逆变桥的开关管导通，反之，则关断，逆变器就产生一组等幅不等宽的脉冲序列。 正弦波的频率和幅值是可控的，只要改变正弦波的频率，就可以改变输出脉 冲的频率，从而改变电机的转速；改变正弦波的幅值，它与三角波的交点发生改变，使输出的逆变脉冲序列的宽度发生变化，从而改变输出脉冲的电压，其 SPWM 生成的原理如图 23所示。 图 23 SPWM 波的生成方法 SPWM 技术的发展 近几年，人们对 SPWM 逆变器的控制模式研究有很多，提出了许多比较实用的 SPWM 技术。 指定谐波消除法 在指定谐波消除法中，逆变器的输出电压仍是一组等幅不等宽的脉冲波，而且是半个周期对称的。 但它们并非是由三角载波与正弦调制波的交点形成，而是从消除某些指定次数的谐波出发 ，通过计算来确定各个脉冲的开关时刻。 移相式 SPWM 技术 在许多大功率、特大功率应用场合，如高压直流输电（ HVDC），静止无功补偿（ SVC），大功率交流电机调速等场合。 由于特大功率可关断器件的开关频率上限很低，而开关频率较低的 SPWM 技术将产生大量低频谐波，为此人们提出了一种新的 SPWM 技术，即将多重化技术和 SPWM 技术结合起来，形成移相式 SPWM 技术，其基本思想是：在多重化为 Lx 的组合装置中使用共同的调制波，并将各装置中的三角载波（频率为 fC）相位相互错开 2π /(LxfC)角度，利用 SPWM 技术中的波 形生成方式和多重化技术中的波形叠加结构产生移相式 SPWM 波形。 虽然每台变流器载波频率很低，但整个组合变流器输出等效于开关频率很高或者说载波频率很高的 SPWM 变流器。 由于移相式 SPWM 多重化是以自然采样 SPWM 技术为基础的多重化结构，可以直接引用许多改进的 SPWM 方法。 它保持了原技术中优异的控制性能，使传统多重化结构的单调控制方式得到极大地扩充。 在多重化电流型变频调速系统应用中，各单元发出的基波同幅、同相，可以共用整流装置，叠加后的波形中完全抵消了低次谐波，极大地改善了电机的工作条件。 3 TMS320LF2407A与调试环境简介 DSP 概述 通用 DSP 特点 DSP（ Digital Signal Processing）也称数字信号处理技术，它是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 DSP 是一种具有特殊结构的微处理器，其内部集成高速乘法器，具有多组内部总线，能够进行快速乘法和加法运算，适用于高速数字信号处理的高速、高位单片机，它具有独特的软硬件结构，体积小、功耗低、使用方便、处理实时迅速、处理数据 量大、精度高、性价比高等显著优点，主要应用在实时快速实现各种数字信号处理的各种算法。 目前中国市场上 TI公司 DSP 芯片占有率在 50％以上，也是我们比较熟悉 DSP 芯片之一，其硬件结构的主要特点是： 哈佛结构 哈佛结构不同于冯 .诺伊曼结构，它是采用程序、数据总线分别独立并具有多条总线的结构。 程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，用独立的程序总线、数据总线或者多条总线分别进行访问。 流水线操作 计算机在执行一条指令的时候，总要经过取指、译码、访问操作数、执行等几个步骤，需要若干个 机器周期才能完成。 DSP 的流水线结构是指它的这几个阶段在执行过程中是重叠的。 第一条指令取指后译码时，第二条指令取指；第一条指令访问数据时，第二条指令译码，第三条指令取指；„即在任意给定的周期内，可能有 1～ 4 条不同的指令是激活的，每一条都处于不同的阶段。 专用的硬件乘法器 在 DSP 备有硬件连线逻辑的高速“与或”运算器（乘法器和累加器），取两个操作数到乘法器中进行乘法运算，并将乘积加到累加器中，这些操作都可以在单个周期内完成。 特殊的指令 在 DSP 的指令系统中，有许多指令是多功能指令，即一条指令可以完成 几种不同的操作，或者说一条指令具有几条指令的功能。 快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令再加上集成电路的优化设计，可使 DSP 芯片的指令周期达到 200ns 以下， TMS320 系列处理器的指令周期已经从第一代的 200ns 降到现在 20ns 以下。 DSP 以运算速度快为特征，而单片机以数字控制功能强为特点。 对电动机的数字控制既要求控制器有强大的 I/O 控制功能，又要求控制器有高速的信号处理能力以实现实时控制。 将 DSP 的高速运算速度与单片机的高控制能力相结合，开发出了电动机控制的专用 集成芯片 C24x 系列 DSP。 这种 DSP 还集成了电动机控制所必需的可增加死区且灵活多变的多路 PWM 信号发生器、高速高精度的 ADC、以及用于电动机速度和位置反馈的编码器接口电路。 DSP 芯片的应用 DSP 芯片自 20世纪 70年代末诞生以来，得到了飞速的发展。 DSP 芯片的高速发展，一方面得益于集成电路技术的发展；另一方面得益于巨大的市场。 在近20 年时间里， DSP 芯片已经在信号处理、雷达、通信等许多领域得到了广泛的应用。 目前， DSP 芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。 DSP 芯片的应 用主要有： （ 1）信号处理 —— 如数字滤波、快速傅立叶变换、模式匹配、波形产生等。 （ 2）通信 —— 调制解调器、纠错编码等。 （ 3）语音 —— 语音编码、语音合成等。 （ 4）图形 /图像 —— 二维三维图形处理、图像压缩等。 （ 5）仪器 /仪表 —— 雷达处理、导航等。 （ 6）自动控制 —— 声控、机器人控制等。 TMS320LF2407A 简介 TMS320LF2407A 芯片介绍 本文以 TI公司最新推出的电机控制专用 TMS320LF2407A DSP 芯片为控制核心进行研究。 TMS320LF2407A DSP 属于 TI 公司 TMS320C20xx 系列定点 DSP 中的C24xx 产品系列，其中“ LF”代表片内 Flash EPROM()，“ LC”代表低电压CMOS()。 TMS320LF2407A DSP 专门为电机控制与运动控制数字化优化实现而设计，特别适合于三相异步电动机的高性能控制。 它集 C2xx 内核增强型 TMS320设计结构及适用于电机控制的低功耗、高性能、优化外围电路于一体， CPU 内部采用增强型哈佛结构，四级流水线作业，几乎每条指令可在 33ns 完成，性价比高，构成控制系统的体积大大减小。 TMS320LF2407A DSP 特点 采用高性能静态 CMOS 制造技术，该 DSP 具有功耗低和速度快的特点： 33ns单指令周期 (30MHz)，最短为 25ns（ 40MHz）；运算速度为 30MIPS，最快运算速度可达 40MIPS；工作电压在 ，有 4种低功耗工作方式，四级指令执行流水线。 由于 2407DSP 工作在低功耗模式下，有利于电池供电的应用场合，其高速度非常适合电动机的实时控制。 采用了基于 TMS320C24x DSP CPU 的内核，保证了与 TMS320C24x 系列 DSP12代码的兼容性，与 F240/C240 的指令集和模式均兼容。 片内集成了 32K 字 16bit 的 Flash EEPROM 程序存储器， 字 16bit 的数据 /程序 RAM，包括 2K 字的单口 SARAM(SingleAccess RAM)和 544 字的双口DARAM(DualAccess RAM)。 因而该芯片可用于产品的开发， Flash 的可编程密码保护功能能够使用户的知识产权得到很好的维护。 提供外扩展 64K 字程序存储器、 64K 字数据存储器、 64K 字 I/O 的能力。 两个专用电机控制的事件管理器 (EV)，每一个都包含： 2个 16 位的 通用定时器， 8 个 16 位脉宽调制 (PWM)输出通道， 1 个能够快速封锁输出通道的外部引脚PDPINTx(其状态可由 COMCONx 寄存器获得 )，可防止上下桥臂直通的可编程死区控制功能， 3 个捕获单元， 1个增量式光电位置编码器接口。 可编程看门狗（ WDT）定时器，保证程序运行的安全性。 16 通道 10 位 A/D 转换器，具有可编程自动排序功能， 4 个启动 A/D 转换的触发源，最快 A/D 转换时间为 375ns。 控制器局域网 CAN（ Controller Area Network） 模块。 串口接口 SPI 和 SCI 模块。 基于锁相环的时钟发生器 (PLL)。 1 41个通用 I/O 引脚。 1 32 位累加器和 32 位中央算术逻辑单元 (CALU)， 16 位 16 位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算， 5个外部中断。 1 IEEE 标准 JTAG 仿真接口。 1很宽的工作温度范围，普通级：－ 40～ 85℃；特殊级：－ 40～ 125℃。 TMS320LF2407 系统组成包括： 40MHz， 40MIPS 的低电压 的 CPU、片内存储 器、事件管理器模块、片内集成外围设备。 其体系结构框图如图 31所示。 TMS320LF2407A 事件管理器 作为电机专用芯片， TMS320LF2407A 最大的特色是内置了功能强大的事件管理器（ Event Manager），该模块提供了一套用于运动控制和电机控制应用的功能和特性。 每个TMS320LF2407A 芯片都具有两个事件管理器模块 EVA 和 EVB。 每个事件管理器模块包括以下功能模块： 两个通用定时器（ GP timer）； 三个全比较单元（ Full pare units）； 8 个 16 位的脉宽调制（ PWM）通道； 可编程的 PWM 死区控制单元； 三个捕获单元 （ Capture units）； 正交编码器脉冲电路（ QEP circuit）； 通道 A/D 转换器。 图 31 TMS320LF2407A 体系结构框图 4 系统的硬件设计及其实现 系统硬件结构总体设计 本系统采用交一直一交电压型变频电路，分为主电源电路和控制电路两大 块。 主电源电路主要由整流电路、滤波电路及智能功率模块 IPM 构成的逆变电路组成。 控制电路以 TI 的 DSP 芯片 TMS320LF2407A 为核心，包括电流检测模块、转速检测。