【正文】 異步電動機控制系統(tǒng)屬于弱電控制強電的系統(tǒng)，功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷都會對系統(tǒng)造成很大的干擾，尤其是工作電壓較低的控制部分電路。同時，系統(tǒng)還會受到外界的干擾，也會對外界的其他設(shè)備造成干擾，如何抑制干擾并且增強系統(tǒng)的抗干擾能力成 5 為影響系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作的一個重要問題。 (4)系統(tǒng)的保護(hù)功能。門機控制系統(tǒng)必須能夠 長期、穩(wěn)定的工作，但是部分情況下出現(xiàn)的異常情況會導(dǎo)致系統(tǒng)硬件的損壞。因此，從硬件上和軟件上同時加入必要的保護(hù)手段來增強系統(tǒng)的保護(hù)功能也顯得尤為重要的。 課題的主要研究內(nèi)容和目的 本設(shè)計 中使用 TI公司的 16位高性能單片機 MSP430F149作為控制核心、三菱公司的第 代智能功率模塊 PS21265AP DIPIPM 作為功率逆變器件。 針對本課題的主要工作，在論文中將工作主要分成以下幾個方面作闡述 ： (1)簡要的描述了課題的研究背景和研究意義，分析了課題在研究和設(shè)計以及實際應(yīng)用中可能會遇到的技術(shù)性問 題，介紹了本課題的研究內(nèi)容和最終目的。 (2)對 SPWM 技術(shù)做了分析性介紹，介紹的側(cè)重點在于設(shè)計中所選用的對稱規(guī)則采樣法。 (3)課題所設(shè)計的電梯門機變頻控制器是一款有針對性的研發(fā)產(chǎn)品，在設(shè)計中必須遵循電梯門機的控制原理和控制要求，因此在論文的第四章部分對電梯門機的控制作了概要性地敘述。 (4)論文的主體部分，占論文的大部分篇幅。分別從硬件和軟件兩個方面詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計理念和設(shè)計思路，包括硬件各個部分的構(gòu)成和作用，軟件各個功能模塊在系統(tǒng)中的作用，以及在系統(tǒng)的設(shè)計等環(huán)節(jié)中需要注意的和特殊處理的問題。 (5)論文的最后一個部分測試了系統(tǒng)的性能，并列出了部分的測試結(jié)果。 6 第 2 章 MSP430F149 單片機的介紹 系統(tǒng)的硬件部分的控制核心使用了 TI 公司的 16 位高性能MSP430F149單片機，用來檢測系統(tǒng)的輸入狀態(tài)，控制系統(tǒng)各個部分的輸出。 MSP430 單片機特點 (1)低電壓、低功耗 (2)強大的處理能力 (3)穩(wěn)定的工作性能 (4)豐富的片內(nèi)資源 MSP430F149 部分功能模塊 MSP430F149 單片機具有豐富的片內(nèi)資源，包括時鐘模塊、捕獲 /比較模塊、 Flash 模塊、看門狗定時器模塊、定時器模塊、以及通用 I/O口模塊 I， 6J， MSP430F149 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如 21所示。 圖 21 MSP430F149功能框圖 7 (1)時鐘模塊 ①高速晶體振蕩器，高速晶體振蕩器連接到 MSP430F149 的高頻振蕩器，最高可以產(chǎn)生 8MHz 的 XT2CLK，該時鐘可以通過各時鐘的分頻器作 1 } 2, 4, 8 分頻后作為 MCLK, SMCLK 時鐘信號。 ②低速晶體振蕩器，低頻晶體振蕩器連接到 MSP430F149 的低頻振蕩器，一般使用 32768Hz 晶體振蕩器產(chǎn)生 LFXT1 CLK 低頻信號，該時鐘也可以通過各時鐘的分頻器作 1} 2} 4, 8 分頻后作為 MCLK} SMCLK, ACLK時鐘信號。 ③ DCO實際上是一個數(shù)字可編程的 RC振蕩器，能夠在其它兩個時鐘源失效的情況下自動被選用作系統(tǒng)時鐘源。同 XT2CLK 相同， DCOCLK 可以經(jīng)過個時鐘分頻器作 1, 2, 4, 8 分頻后作為 MCLK, SMCLK 的時鐘信號。 (2) ADC 12 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 MSP430F149 中帶有的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊具有采樣和保持功能，采樣速度達(dá)到 200ksps，并且在 4 種工作模式下，可以選擇包括內(nèi)置的溫度 傳感器在內(nèi)的 4個內(nèi)部采集通道和 8個外部采集通道。 (3)看門狗 (WDT)定時器 MSP430F149中包含了 16位、 8種可選定時時間的看門狗定時器模塊，看門狗定時器在程序發(fā)生故障時能夠控制系統(tǒng)的重新啟動。 通過設(shè)置看門口控制寄存器 WDTCTL 的值，可以選擇看門狗的工作狀態(tài) :通過設(shè)置 SSEL, IS I 和 ISO 控制位可以組合出 8 種定時器，通過設(shè)置 TMSEL 控制位可以設(shè)置看門狗模塊的工作模式 ： 看門狗模式、定時器模式和關(guān)閉模式。 (4)通用 10 端口 [171] (5) 16位定時器 Timer– B (6) Flash存儲器模塊 Flash 存儲器模塊是 Flash 型器件的通用模塊，主要用于存儲程序代碼、數(shù)據(jù)表格以及用戶信息等，用戶可以通過 JTAG或者是芯片內(nèi)的軟 8 件來實現(xiàn)對 Flash 的寫入和擦除操作。 MSP430F149中的 Flash以段作為基本的操作單位， FLASH存儲區(qū)可以劃分為主存儲區(qū)和信息存儲區(qū)。 (7) MSP430 的 JTAG接口 [18][19]。 根據(jù) TI公司的要求，與 CPU相連的標(biāo)準(zhǔn) JTAG接口具有 14個針腳，其針腳定義如圖 22所示 ： 圖 22 MSP430的 JTAG接口定義 MSP430F149 單片機的引腳數(shù)目多達(dá) 64 個，通過獨立的引腳能夠?qū)崿F(xiàn) JTAG 功能的外接，而類似 MSP430F123 這樣的引腳數(shù)目 (MSP430F123僅有 28 個引腳 )較少的單片機，則需要通過引腳的復(fù)用技術(shù)來解決這種問題，因此通過 JTAG 調(diào)試這一類 MSP430 單片機時，需要注意復(fù)用的引腳在調(diào)試狀態(tài)下的功能等問題。 針對 MSP430 系列單片機市場上有多種 JTAG 產(chǎn)品，有很多的相關(guān)資料和電路可以借鑒。這里，我們根據(jù)一種常見的 TI 公司的 FET430P14x JTAG 仿真器的電路圖，自制出 JTAG 工具來完成調(diào)試工作。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，該 JTAG工作穩(wěn)定，配合 IARSYSTEM公司“ IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430”集成開發(fā)環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)程序代碼下載、程序運行控制等調(diào)試所需要的基本功能。這種便捷的、簡化的開發(fā)環(huán)境，為整個系統(tǒng)的開發(fā)帶來了極大的便利。 9 第 3 章 電力電子器件與 SPWM 調(diào)速 電力電子學(xué) (Power Electronics)是研究采用半導(dǎo)體器件實現(xiàn)對電能的控制和變換的學(xué)科。 1974 年，國際上接受了 W Newll 的定義，即把電力電子學(xué)作為介于電力、電子和控制之間的交叉學(xué)科 . 圖 31電力電子學(xué)結(jié)構(gòu)圖 電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的技術(shù)，它以電力電子學(xué)作為理論基礎(chǔ)，是一門 20 世紀(jì)后半葉誕生并發(fā)展的嶄新技術(shù)。它隨著電力半導(dǎo)體的發(fā)展而發(fā)展，從 1957年的晶閘管的發(fā)明作為電力電子技術(shù)的開始，電力電子器件始終向著大容量、高速度、高集成度的方向不斷發(fā)展。 電力電子器件種類很多，并且仍然有新型器件出現(xiàn)，可以按照其開關(guān)方式和控制能力劃分為不可控器件、半控器件和全控器件三類。 (BJT) 雙極型晶體 管是一種由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的電流控制型器件，在控制 BJT 導(dǎo)通或者截至?xí)r，需要通過控制端向 BTJ 內(nèi)灌入電流或者拉出電流。 BJT 從一種狀態(tài)向另一種工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，受到其內(nèi) 10 部載流子濃度的影響，需要一個過渡過程，這就制約了 BJT 的反應(yīng)速度。 (MOSFET) 場效應(yīng)管是一種單極型的電壓控制型器件，有著工作速度快、無二次擊穿、易于驅(qū)動等相對于 BJT的顯著優(yōu)點。 MOSFET目前在高性能開關(guān)電源、逆變器等需要較高的開關(guān)速度的場合得到廣泛的應(yīng)用。 (IGBT) IGBT是一種混合型的電力電子器件，它融合了場效應(yīng)管和雙極型晶體管的特點 :控制方面， IGBT 具備場效應(yīng)管的輸入阻抗高、速度快的場控特性 :輸出驅(qū)動方面， IGBT 具備 BJT 的低輸出飽和壓降、耐壓高和承受電流大的特性。這些良好的控制特性和驅(qū)動特性使得 IGBT 較 BJT的驅(qū)動更簡單、保護(hù)更容易，開關(guān)頻率更高等優(yōu)點，因而在應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)了很大的市場份額。 (IPM) IPM是一種新型的電力電子器件。盡管前面介紹的 IGBT 具有 BJT和MOSFET的優(yōu)點，但是必須有驅(qū)動電路和保護(hù)電路等的配合才能夠正常、穩(wěn)定的 運行，但是這些電路增加了系統(tǒng)空間和系統(tǒng)復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性。 MSP430單片機的電梯門控制器的設(shè)計 (1)對于電力電子器件，都有其最大工作電流和最大工作電壓。 (2)電力電子器件在使用時會不同情況的發(fā)熱， IPM的工作溫度為一20度一 100度 (不結(jié)露 )。在使用時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)功率模塊的發(fā)熱量和周圍環(huán)境，添加適當(dāng)?shù)谋粍由峄蛘咧鲃由岽胧? 11 (3) PS21265AP DIPIPM的設(shè)計載波頻率上限為 20KHz，設(shè)計手冊上指出其頻率上限隨著外界溫度、濕度條件以及控制方法的不同有所變化，實際使用時 應(yīng)根據(jù)所選用的控制電路 ,調(diào)整載波頻率。 (4)使用外部單電源驅(qū)動 IPM內(nèi)部的驅(qū)動電路時，應(yīng)保證外部單電源供電穩(wěn)定，添加電源防干擾的措施，防止因電源噪聲所帶來的干擾而產(chǎn)生誤動作。 (5) IPM 的輸入的控制信號應(yīng)當(dāng)盡量短，以減少外界對控制信號的干擾。 SPWM變頻調(diào)速工作原理 在本設(shè)計中使用了應(yīng)用廣泛的正弦脈寬調(diào)制 (Sine Pulse Wide Modulition, SPWM )技術(shù)，所謂的正弦脈寬調(diào)制是指將一個正弦波劃分成 N 個等幅但是不等寬的方波脈沖，每一個方波的寬度都與其對應(yīng)時刻的正弦波的 值成正比，這些等幅脈沖序列通過由恒定直流供電的逆變器，驅(qū)動相應(yīng)的開關(guān)器件。 12 第 4 章 電梯門控制系統(tǒng)的設(shè)計需求 電梯門控制器的工作環(huán)境 普通電機門機控制器直接安裝在電梯吊箱的頂部，并且在門機控制器的外面加有通風(fēng)良好的金屬箱做電磁屏蔽和防水保護(hù)等功能，這些電梯提供的防護(hù)措施簡化了門機變頻控制器設(shè)計。 電梯吊箱通過在電梯間里面懸浮的電纜連接來取電，一般為220V/50Hz 的交流電，因此在一般的實驗室設(shè)計和測試時，可以使用市電來替代電梯吊箱中的供電。電梯門機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 41所 示 ： 開門 /關(guān)門 （控制信號） → 門機控制器 → 交流電動機 → 減速箱 ↑ ↓ 電梯門 /行程開關(guān) /光幕開關(guān) 圖 41電梯門機控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 門機變頻控制器的控制模式 根據(jù)設(shè)計要求，所設(shè)計的控制器使用行程開關(guān)組作為位置檢測開關(guān)。行程開關(guān)組由安裝在電梯門的導(dǎo)軌上 4 個磁性霍爾傳感器組成的，分別用來檢測開門到位、關(guān)門到位以及電梯門執(zhí)行動作過程中的兩個速度的切換點，門機控制器接收行程開關(guān)反饋回的開關(guān)量，從而判斷電梯門當(dāng)前的所在位置狀態(tài)，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速和方向。電梯系統(tǒng)的外部接線端 設(shè)計了切換開關(guān)，用于在調(diào)試狀態(tài)和系統(tǒng)狀態(tài)之間切換。當(dāng)處于調(diào)試狀態(tài)時，控制器不會響應(yīng)系統(tǒng)外部的開門關(guān)門控制信號，此時手動開門、手動關(guān)門控制信號有效，門機控制器根據(jù)手動開關(guān)的指令執(zhí)行動作，按下手動開門按鍵，控制器驅(qū)動電機執(zhí)行開門動作，按下手動關(guān)門按鈕，控制器驅(qū)動電機執(zhí)行關(guān)門動作 。當(dāng)處于系統(tǒng)狀態(tài)時，門機控制器正常響應(yīng)由中央控制器傳送來的控制指令，手動按鈕不起作用。 13 圖 42系統(tǒng)輸入輸出信號圖 系統(tǒng)的開門和關(guān)門過程 系統(tǒng)中有 XK 1 XK4 共 4 個行程開關(guān)，在電梯門的導(dǎo)軌上，控制器根據(jù)開關(guān)反饋回來電梯 門的位置信號，控制輸出頻率，調(diào)整電動機的運行頻率，進(jìn)而控制電梯門的運動速度，電梯門在開門和關(guān)門過程中的頻率曲線與開關(guān)的位置狀態(tài)如圖 43所示 ： 圖 43電梯開關(guān)門速度曲線 在開門和關(guān)門過程中的 XK 1 XK4的電平變化時序如圖 44和 45所示 ： 14 圖 44開門時序圖 圖 45關(guān)門時序圖 對不同的電梯吊箱的設(shè)計， 部分電梯吊箱需要在關(guān)門過程結(jié)束后，由電機繼續(xù)輸出一個很低頻率的 低轉(zhuǎn)動力矩來保持電機門的關(guān)門緊閉狀態(tài)，在設(shè)計中，可以選擇的輸出頻率為 。 用戶界面的要求 盡管針對電梯門機所 設(shè)計的門機變頻控制器具有很強專用性，相比于通