【正文】 ............................................................... 46 TMS320LF240xA 芯片特點(diǎn)概述 .................................................................... 46 TMS320LF2407A 的事件管理器 (EV)............................................................. 47 SPWM波形生成原理與控制算法 .................................................................. 50 DSP 生成 SPWM 波形 .................................................................................... 54 結(jié) 論 ...................................................................................................................... 61 附錄 A 基于 DSP 的通用變頻器硬件設(shè)計(jì)原理圖 ................................................... 62 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................. 63 致 謝 ...................................................................................................................... 65 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 1 － 引 言 電機(jī)變頻調(diào)速是電力電子技術(shù)應(yīng)用的最大領(lǐng)域之一，具有極大的吸引力，同時(shí)也具有較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。它的市場(chǎng)異常龐大，據(jù)報(bào)道，世界上大約有 100 億以上各種電機(jī)在工作，近年來(lái)，我國(guó)空調(diào)一年的產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò) 1000 萬(wàn)臺(tái)，僅此一項(xiàng)市場(chǎng)已非常龐大；另外，其應(yīng)用面極其廣泛，例如機(jī)床、電動(dòng)工具、電力機(jī)車(chē)、機(jī)器人、家用電器、計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、汽車(chē)、船舶、軋鋼、造紙和紡織行業(yè)等等。而交流異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用與維護(hù)方便，運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉，并具有比較滿(mǎn)意的運(yùn)行特性和比較高的效率，在傳動(dòng)領(lǐng)域具有重要的地位。交流變頻調(diào) 速技術(shù)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是節(jié)電顯著；二是卓越的調(diào)速性能。 通過(guò)利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，將直流電壓變成一定波形的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變頻器輸出電壓的調(diào)節(jié)。 PWM 方式能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變壓變頻要求，可以抑制逆變輸出電壓、電流的諧波分量，降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。目前實(shí)際工程中主要采用正弦 PWM 調(diào)制方式，就是所謂的 SPWM 技術(shù)。 TMS320LF2407A 是德州儀器公司專(zhuān)門(mén)為電機(jī)控制開(kāi)發(fā)的一款定點(diǎn)式數(shù)字信號(hào)處理芯片，運(yùn)用 SPWM 技術(shù)和 DSP 技術(shù)就可以完成了交一直一交電壓源型通用變頻器的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng) 搭建。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 2 － 1 緒論 本課題的研究背景和研究意義 隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷提高，環(huán)保和能源問(wèn)題日趨成為人們爭(zhēng)論的主題。充分有效地利用能源已成為緊迫的問(wèn)題，為了尋求高效可用的能源，各個(gè)國(guó)家都投入了大量人力財(cái)力，進(jìn)行不懈的努力。就目前而言，電能是全世界消耗最多的能源之一，同時(shí)也是浪費(fèi)最多的能源之一，為解決能源問(wèn)題必須先從電能著手，其中起代表性的就是電機(jī)的控制。電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備，它的用途非常廣泛，在現(xiàn)代社會(huì)生活中隨處可見(jiàn)電機(jī)的身影，在發(fā)達(dá)國(guó)家中生產(chǎn)的總電能有一半以上是用于電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換 ，這些電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中 90%左右的是交流異步電機(jī)。在國(guó)內(nèi)，電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá) 4 億千瓦，年耗電量達(dá) 6000 億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的 80%。并且使用中的電機(jī)絕大部分還是中小型異步電機(jī)，加之設(shè)備的陳舊、管理、控制技術(shù)跟不上，所浪費(fèi)的電能甚多。能源工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都起著極為重要的作用。在高速增民的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，我國(guó)能源工業(yè)而臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響，我國(guó)能源利用效率比發(fā)達(dá)國(guó)家低很多。為此，國(guó)家十五計(jì)劃中，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié) 能方而投入的資金高達(dá) 500 億元左右，由此可見(jiàn)，在我國(guó)異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)將有巨大的市場(chǎng)潛能。 在電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)迅速發(fā)展的今天，電氣傳動(dòng)技術(shù)正面臨著一場(chǎng)歷史性的革命。經(jīng)過(guò)了十多年的發(fā)展，近代交流傳動(dòng)逐漸成為電氣傳動(dòng)的主流。在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最佳的是變頻調(diào)速系統(tǒng)，因此，對(duì)變頻調(diào)速的研究是當(dāng)前電氣傳動(dòng)研究中最為活躍、最有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的工作。變頻器產(chǎn)業(yè)的潛力非常巨大，值得強(qiáng)調(diào)的是，這里的“變頻器產(chǎn)業(yè)”應(yīng)該是變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)，或者是inverter technology 產(chǎn)業(yè) 。正如 IT 產(chǎn)業(yè)不僅限于 PC 一樣，變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)包括所有與變頻器技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，如電力電子器件的生產(chǎn)、驅(qū)動(dòng)保護(hù)集成電路的生產(chǎn)、電氣傳動(dòng)與系統(tǒng)控制技術(shù)、工業(yè)應(yīng)用等。 交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況及其運(yùn)用 近年來(lái)，交流調(diào)速在國(guó)內(nèi)外發(fā)展十分迅速，打破了過(guò)去直流拖動(dòng)在調(diào)速領(lǐng)域中的統(tǒng)治地位，交流調(diào)速拖動(dòng)已進(jìn)入了與直流拖動(dòng)相媲美、相競(jìng)爭(zhēng)、相抗衡的時(shí)代，并有取而代之的趨勢(shì)，這是現(xiàn)代電力拖動(dòng)發(fā)展的主要特征。其主要原因有：電力電子技術(shù)的不斷北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 3 － 更新、控制策略和電機(jī)控制理論的不斷完善、以及全數(shù)字化高性能高速度的微處理器不斷發(fā)展等。 電力 電子技術(shù)的發(fā)展 由于交流電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)和運(yùn)用廣泛，其調(diào)速系統(tǒng)早就得到人們的關(guān)注，早期的交流電機(jī)調(diào)速方法，如用繞線(xiàn)式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、鼠籠式異步電機(jī)變極調(diào)速、在定子繞組串電抗器調(diào)速等都存在效率低，不經(jīng)濟(jì)等缺點(diǎn)。交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性旱在20 世紀(jì) 20 年代就已被人們所認(rèn)識(shí)，但受到元器件的限制，當(dāng)時(shí)只能用閘流管構(gòu)成逆變器，由于投資大，效率低，體積大而未能推廣。 20 世紀(jì) 50 年代中期，晶閘管的研制成功，開(kāi)創(chuàng)了電力電子技術(shù)發(fā)展的新時(shí)代。晶閘管具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、管壓低等優(yōu)點(diǎn)，從而使得交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)有了飛躍發(fā) 展，出現(xiàn)了交流異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)。 到 20 世紀(jì) 70 年代出現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)，變頻調(diào)速具有效率高、精度高和范圍寬等特點(diǎn)，是目前運(yùn)用最廣泛且最具有發(fā)展前途的調(diào)速方式。交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類(lèi)也很多，從早期提出的電壓源型變頻調(diào)速開(kāi)始，相繼發(fā)展了電流源型，脈寬調(diào)制等各種變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。目前變頻調(diào)速的主要方案有：同步電機(jī)自控式變頻調(diào)速，正弦脈寬調(diào)制 (Sine Pulse Width Modulation)變頻調(diào)速，矢量控制 (Field Oriented Control)變頻調(diào)速，直接轉(zhuǎn)矩控制 (Direct Torque Control)及無(wú)速度傳感器控制等。這些變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴(lài)于大功率半導(dǎo)體器件的制造水平。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是可關(guān)斷晶閘管 GTO、電力晶體管 GTR、絕緣門(mén)極晶體管 IGBT， MOS 晶閘管及 MTC 等具有自關(guān)斷能力全控功率元件的發(fā)展，且控制單元也從分離元件發(fā)展到大規(guī)模數(shù)字集成電路及采用微處理器控制，從而使變頻裝置的快速性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性不斷提高，變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能也得到不斷完善。 控制策略和控制理論的不斷發(fā)展 由直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)可知，直流電機(jī)的電樞磁勢(shì)和電機(jī)的勵(lì)磁是相 互正交的，可以對(duì)電樞的電流和磁通分別進(jìn)行控制，從而能夠得到較理想的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制性能。由于直流電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還存在著換向器或電刷等器件，使得直流電機(jī)的容量受到一定的限制，維護(hù)也不方便。為此，交流異步電機(jī)以其獨(dú)有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、制造成本低、維護(hù)少且方便、能夠運(yùn)用于惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。但是，交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合、多變量的，不能像直流電機(jī)那樣對(duì)磁通和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，在一定程度上抑制了交流異步電機(jī)的運(yùn)用范圍 。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 4 － 在交流電機(jī)變頻調(diào)速中應(yīng)用最為廣泛的是 PWM 控制，可以說(shuō) PWM 控制是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，任何控制算法的最終實(shí)現(xiàn)幾乎都是以各種 PWM 控制方式來(lái)完成的。目前已經(jīng)提出并得到實(shí)際應(yīng)用的 PWM 控制方案就不止十幾種，關(guān)于 PWM 控制技術(shù)的文章在很多著名的電力電子國(guó)際會(huì)議上，如 PESC， IECON， EPE 年會(huì)上已形成專(zhuān)題，尤其是微處理器應(yīng)用于 PWM 技術(shù)并使之?dāng)?shù)字化以后，花樣更是不斷翻新。從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，到消除噪音等， PWM 控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不 斷創(chuàng)新和不斷完善的過(guò)程。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進(jìn)一步證明這項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。 其中，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)有： U/F 恒定、速度開(kāi)環(huán)控制的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，這些雖然基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問(wèn)題，然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能提出更高要求時(shí)，上述控制系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略遜一籌。主要原因在于，其系統(tǒng)控制的規(guī)律是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)值控制，完全不考慮過(guò)渡過(guò)程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方而的性能尚不能令人滿(mǎn)意?？紤]到 異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開(kāi)來(lái)，進(jìn)行分別控制。通過(guò)坐標(biāo)變換重建異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以使得異步電機(jī)等效于直流電機(jī)，從而象控制直流電機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制，即矢量控制，又稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制。與矢量抓子制不同的是，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，而是簡(jiǎn)單地通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助 瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與給定值比較得出差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。 盡管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了較大的提高，但是還有許多領(lǐng)域有待研究，比如：磁通的準(zhǔn)確估計(jì)和觀(guān)測(cè)、無(wú)速度傳感器的控制方法、電機(jī)參數(shù)的在線(xiàn)辨識(shí)、極低轉(zhuǎn)速包括零速下的電機(jī)控制、電壓重構(gòu)與死區(qū)補(bǔ)償策略、多電平逆變器的高性能控制策略等更新更優(yōu)的控制理論和控制策略。 全數(shù)字化高性能微處理器運(yùn)用于電機(jī)控制 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展以及新型電路變換器的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論向交流調(diào)速領(lǐng)域的不斷滲透 ，特別是微型計(jì)算機(jī)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，為了滿(mǎn)足現(xiàn)代人們對(duì)數(shù)北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 5 － 字化信息的依賴(lài)，為了使交流調(diào)速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結(jié)合，為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能，必須實(shí)現(xiàn)交流調(diào)速系統(tǒng)的全數(shù)字化控制。 單片機(jī)在交流調(diào)速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。例如由 Intel 公司 1983 年開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的 MCS96 系列是目前性能較高的單片機(jī)系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。其高檔型： 8X196KB， 8X196KC， 8X196MC 等在通用開(kāi)環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。但是由于交流電機(jī)控 制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜，這就需要高性能、高速度的新一代微處理器，于是出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理器 DSP(Digital Signal Processing)。因此， DSP 芯片在全數(shù)字化的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中找到大展身手的舞臺(tái)。 DSP 芯片生產(chǎn)商主要有： Motorola 公司、 ADI 公司和 TI 公司，本課題采用的是 TI公司專(zhuān)為電機(jī)控制而研發(fā)的 TMS320F240 芯片。在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過(guò)程當(dāng)中，各種總線(xiàn)也扮演了相當(dāng)重要的角色。 STD 總線(xiàn)、工業(yè) PC 總線(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)以及 CAN 總線(xiàn)等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化 應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作用。 數(shù)字化控制或稱(chēng)微機(jī)控制，其優(yōu)點(diǎn)是使硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，柔性的控制算法使控制靈活、可靠，更易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，便于故障診斷和監(jiān)視。控制系統(tǒng)的軟件化對(duì) CPU芯片提出了更高的要求，為了實(shí)現(xiàn)高性能的交流調(diào)速，要進(jìn)行矢量的坐標(biāo)變換，磁通矢量的在線(xiàn)計(jì)算和自適應(yīng)參數(shù)變化而修正磁通模型，以及內(nèi)部的加速度、速度、位置的重疊，外環(huán)控制的在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等，都需要存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)和快速實(shí)時(shí)處理大量信息?？梢皂斠?jiàn)，隨著計(jì)算機(jī)芯片容量的增加和運(yùn)算速度的加快，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高。 目前變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 、展望 近幾年來(lái)對(duì)電力電子裝置控制技術(shù)的研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制、滑模控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及智能控制 (如專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制、遺傳算法、采用微分幾何理論的非線(xiàn)性解禍、魯棒觀(guān)察器，在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和尼奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等 )和無(wú)速度傳感器等高動(dòng)態(tài)性能控制都是研究的熱點(diǎn)，這些研究必將把交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的水平。交流變頻調(diào)速