【正文】 基于 DSP的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速控制器設(shè)計(jì) 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 1 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明 本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實(shí)可靠，不包含他人成果及已獲得 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）或與該 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ） 直 接 相 關(guān) 的 學(xué) 術(shù) 論 文 或 成 果 時(shí) ， 單 位 署 名為 。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 2 1. 要求： 系統(tǒng)輸入直流電，輸出三相交流電，以控制三相異步電機(jī)。 2. 概要： 電機(jī)節(jié)能問(wèn)題一直是廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)，在電機(jī)節(jié)能技術(shù)中最受矚目的是 變頻調(diào)速技術(shù)。本文研究一種基于數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）的三相異步電動(dòng)機(jī)變頻 調(diào)速系統(tǒng)。 論文首先闡述三相異步電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制技術(shù)和矢量控制原理。脈寬調(diào)制技術(shù)中重點(diǎn)分析正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（ SPWM）和電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（ SVPWM）的基本原理和控制算法。矢量控制思想是將異步電機(jī)模擬成直流電機(jī)，通過(guò)坐標(biāo)變換，將定子電流矢量分解為按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩個(gè)直流分量，實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。論文用 Matlab/Simulink 軟件對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)。 在硬件設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)以 TI 公司的 TMS320LF2407A DSP 芯片為控制電路核心，以三菱公司智能功率模塊（ IPM） PM25RSB120 為主電路核心，對(duì)三相交流整流濾波電路、 IPM 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、相電流檢測(cè) 電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、顯示電路以及 DSP 與 PC 機(jī)通信電路等模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)方面，本文用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)基于TMS320LF2407A DSP 的三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制程序，整個(gè)矢量控制程序由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。最后構(gòu)建三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置，在該裝置上進(jìn)行變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)研究。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用 SVPWM 技術(shù)和矢量控制技術(shù)可以成功實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速功能。采用矢量控制技術(shù)后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、抗擾能力強(qiáng)。該變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)為今后開(kāi)發(fā)更高性能的變頻調(diào) 速系 統(tǒng)創(chuàng)造了條件。 3. 元件及介紹 DSP 全稱(chēng)是： Digital Signal Processing，即 數(shù)字信號(hào)處理的理論和方法。 DSP 也可以理解為： Digital Signal Processor，即 用于數(shù)字信號(hào)處理的可編程微 處理器。 DSP 技術(shù) ： Digital Signal Process，即 是利用專(zhuān)門(mén)或通用數(shù)字信號(hào)處理芯片，通過(guò)數(shù)字計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn) 行 處理的方法與技術(shù)。 本系統(tǒng)采用 24V 直流電源，通過(guò)逆變電路，將直流電變成三相交流電，進(jìn)而控制三相異步電機(jī)。 電機(jī)型號(hào)及相關(guān)參數(shù)： ， 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 3 ： 注：系統(tǒng)總圖見(jiàn)附錄 DSP 驅(qū)動(dòng)電路 逆變電路 三相異步電機(jī) + 24V 75176 CAN 總線 485 CAN 人機(jī)接口 顯示 按鍵 X25040 AD 信 號(hào)處理 i 10K 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 4 主電路 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 5 驅(qū)動(dòng)電路 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 6 （ 2272） 連接（ 431） 電源 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 7 485 通訊 CAN 總線 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 8 譯碼器（ 74HC138） 鎖存器（ 74HC273） 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 9 鍵盤(pán)顯示電路 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 10 : （ TMS320LF240xA） 芯片特點(diǎn)概述 TI 公司的 TMS320LF2407A 芯片作為 DSP 控制器 24x 系列的新成員，是TM S320C2020TM平臺(tái)下的一種定點(diǎn) DSP 芯片。 LF2407A 芯片提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力，對(duì)電機(jī)的數(shù)字化控制非常有用。幾種先進(jìn)外設(shè)被集成到該芯片內(nèi)，以形成真正的單芯片控制器。在與現(xiàn)存 24xDSP 控制器芯片代碼兼容的同時(shí)， LF2407A芯片具有處理性能更好 （ 40MIPS） 、外設(shè)集成度更高、程序存儲(chǔ)器更大、 A/D 轉(zhuǎn)換速度更快等特點(diǎn)，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級(jí)產(chǎn)品。 TMS320LF240xDSP 有以下一些特點(diǎn) ： 采用哈佛結(jié)構(gòu) 。 哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問(wèn)。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。而馮一諾依曼結(jié)構(gòu)則是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一編基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 11 址、依靠指令計(jì)數(shù)器提供的地址來(lái)區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問(wèn)同一存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)吞吐率低。在哈佛結(jié)構(gòu)中，由于程序和數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開(kāi)的空間中，因此取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高運(yùn)行速度和靈活性，TMS320DSP 芯片在基本哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中，并被算術(shù)指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性 ； 二是指令存儲(chǔ)在高速緩沖器中，當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，不需要再?gòu)?存儲(chǔ)器中讀取指令，節(jié)約了一個(gè)指令周期的時(shí)間； 流水技術(shù) 。 計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令時(shí)，總要經(jīng)過(guò)取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行運(yùn)算等步驟，需要若干個(gè)指令周期才能完成。流水技術(shù)是將各指令的各個(gè)步驟重疊起來(lái)執(zhí)行，而不是一條指令執(zhí)行完成之后，才開(kāi)始執(zhí)行下一條指令。即第 一條指令譯碼時(shí)，第二條指令取指 。第一條指令取數(shù)時(shí)，第二條指令譯碼，第三條指令取指??依次類(lèi)推，實(shí)用流水技術(shù)后，盡管每一條指令的執(zhí)行仍然要經(jīng)過(guò)這些步驟，需要同樣的指令數(shù)，但將一個(gè)指令段綜合起來(lái)看，其中的每一條指令的執(zhí)行就都是一個(gè)指令周期內(nèi)完成。 DSP 處理器所采用的將程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的地址和數(shù)據(jù)總線分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，為采用流水技術(shù)提供了很大的方便 ； 采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為 ，減少了控制器的功耗 ； 40MIPS 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到 25ns（ 40MHZ） ，從而提高了控制器的實(shí) 時(shí)控制能力 ； 基于 TMS320C2xxDSP 的 CPU 核，保證了 TMS320LF240x系列 DSP 代碼和 TMS320 系列代碼兼容 ； 片內(nèi)有高達(dá) 32K 字的 FLASH 程序存儲(chǔ)器，高達(dá) 字的數(shù)據(jù) /程序 RAM， 544 字雙口 RAM(DARAM)和 2K 字的單口 RAM（ SARAM） ；兩個(gè)事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個(gè)包括 :兩個(gè) 16 位通用定時(shí)器 ； 8 個(gè) 16 位脈寬調(diào)制 （ PWM） 通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn) :三相反相器控制 ； PWM 的對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)波形 ；當(dāng)外部引腳 PDPINTX 出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉 PWM 通道 ； 可編程的 PWM 死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖 ； 3 個(gè)捕單元 ； 片內(nèi)光電編碼器接口電路 ； 16 通道A/D 轉(zhuǎn)換器。事件管理器模塊適合用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級(jí)電機(jī)和逆變器 ； 可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器 （ LF2407） 總共 192K 字空間 ； 64K 字程序存儲(chǔ)器空間 ； 64K 字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間 ； 64K 字 I/O 尋址空間 ； 看門(mén)狗定時(shí)器模塊 （ WDT）； 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為 500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè) 8 通道輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器或一個(gè) 16 通道輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器 ； 控制器局域網(wǎng)絡(luò) （ CAN） 模塊 ； 串行通信接口 （ SCI） 模塊 ； 16 位的串行外設(shè) （ SPI） 接口模塊 ； 基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器 ； 高達(dá) 40 個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用通用輸入 /輸出引腳（ GPIO）； 5 個(gè)外部中斷 （ 兩個(gè)電極驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷 ）； 電源管理包括 3 種低功耗模式，能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。 SYMCK2407A() 功能框圖 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 12 IR2132 驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn) IR2132 可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓不高于 600 V 的電路中的功率 MOS 門(mén)器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 250 mA，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 500 mA。它內(nèi)部設(shè)計(jì)有過(guò)流、過(guò)壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶(hù)可方便地用來(lái)保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的 MOS 門(mén)功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用使其可以用于高壓系統(tǒng)，它還可以對(duì)同一橋臂上下兩個(gè)功率器件的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生 O． 8μ s互鎖延時(shí)時(shí)間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬 (3～ 20 V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過(guò)的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的 3個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部 的 3 個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并且輸入信號(hào)與TTL 及 CMOS 電平兼容。 IR2132 管腳如圖 所示。 VBl～ VB3 是懸浮電源接地端，通過(guò)自舉電容為 3 個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源， VSl～ VS3 是其對(duì)應(yīng)的懸浮電源地端。 HINl～ HIN3， LINl～ LIN3 是逆變器上橋臂和下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，低電平有效。 ITRIP 是過(guò)流信號(hào)檢測(cè)輸入端，可通過(guò)輸入電流信號(hào)來(lái)完成過(guò)流或直通保護(hù)。 CA 一， CA0， VSO 是內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來(lái)完成電流信基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 13 號(hào)檢測(cè)。 H01～ H03， L01～ L03 是逆變器上下橋臂功率開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端。 FAULT 是過(guò)流、直通短路、過(guò)壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個(gè)故障保護(hù)的指示信號(hào)。它在芯片內(nèi)部是漏極開(kāi)路輸出端，低電平有效。 VCC， VSS是芯片供電電源連接端， VCC接正電源，而 VSS 接電源地。 IR2132 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理 IR2132 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，它的內(nèi)部集成有 1 個(gè)電流比較器 (Current Comparator)、 1 個(gè)電流放大器 (Current Amp)、 1個(gè)自身工作電源欠電壓檢測(cè)器 (Under Voltage Detector)、 1個(gè)故障處理單元 (Fault Logic)及 1個(gè)清除封鎖邏輯單元 (Clear Logic)。除上述外，它內(nèi)部還集成有 3個(gè)輸入信號(hào)處理器 (Input Signal Generator)、2 個(gè)脈沖處理和電平移位器 (Pulse Generator Level Shifter)、 3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存器 (Latch)、 3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)與欠壓檢測(cè)器 (Under Voltage Detector)及 6個(gè)低輸出阻抗 MOS 功率管驅(qū)動(dòng)器 (Driver)和 1個(gè)或門(mén)電路。 485 通 訊 RS485 和 RS232 的基本的通訊機(jī)理是一致的，他的優(yōu)點(diǎn)在于彌補(bǔ)了 RS232 通訊距離短，不能進(jìn)行多