【正文】 基于 DSP的三相異步電機(jī)變頻調(diào)速控制器設(shè)計 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 1 畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信聲明 本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）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)論和成果為本人獨立完成，真實可靠，不包含他人成果及已獲得 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 論文（設(shè)計）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計）版權(quán)使用授權(quán)書 本畢業(yè)論文（設(shè)計）作者同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計）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）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(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）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計）或與該 論 文 （ 設(shè) 計 ） 直 接 相 關(guān) 的 學(xué) 術(shù) 論 文 或 成 果 時 ， 單 位 署 名為 。 論文（設(shè)計）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)能問題一直是廣大學(xué)者研究的熱點，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)字信號處理器（ DSP）的三相異步電動機(jī)變頻 調(diào)速系統(tǒng)。 論文首先闡述三相異步電動機(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)，通過坐標(biāo)變換，將定子電流矢量分解為按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分量，實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。論文用 Matlab/Simulink 軟件對三相異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，并在此基礎(chǔ)上對矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計。 在硬件設(shè)計方面，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，對三相交流整流濾波電路、 IPM 驅(qū)動和保護(hù)電路、相電流檢測 電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、顯示電路以及 DSP 與 PC 機(jī)通信電路等模塊進(jìn)行設(shè)計。在軟件設(shè)計方面，本文用匯編語言編寫基于TMS320LF2407A DSP 的三相異步電動機(jī)矢量控制程序，整個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)建三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速實驗裝置，在該裝置上進(jìn)行變頻調(diào)速實驗研究。 實驗結(jié)果表明用 SVPWM 技術(shù)和矢量控制技術(shù)可以成功實現(xiàn)三相異步電動機(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，動態(tài)調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小、抗擾能力強。該變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計為今后開發(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 全稱是： Digital Signal Processing，即 數(shù)字信號處理的理論和方法。 DSP 也可以理解為： Digital Signal Processor，即 用于數(shù)字信號處理的可編程微 處理器。 DSP 技術(shù) ： Digital Signal Process，即 是利用專門或通用數(shù)字信號處理芯片，通過數(shù)字計算的方法對信號進(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)總圖見附錄 DSP 驅(qū)動電路 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 鍵盤顯示電路 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 10 : （ TMS320LF240xA） 芯片特點概述 TI 公司的 TMS320LF2407A 芯片作為 DSP 控制器 24x 系列的新成員，是TM S320C2020TM平臺下的一種定點 DSP 芯片。 LF2407A 芯片提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力，對電機(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， LF2407A芯片具有處理性能更好 （ 40MIPS） 、外設(shè)集成度更高、程序存儲器更大、 A/D 轉(zhuǎn)換速度更快等特點，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品。 TMS320LF240xDSP 有以下一些特點 ： 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)，其主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應(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)、地址存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一編基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 11 址、依靠指令計數(shù)器提供的地址來區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問同一存儲器，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) 存儲器在兩個分開的空間中，因此取指令和執(zhí)行能完全重疊運行。為了進(jìn)一步提高運行速度和靈活性，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)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)指令直接使用，增強了芯片的靈活性 ； 二是指令存儲在高速緩沖器中，當(dāng)執(zhí)行指令時，不需要再從 存儲器中讀取指令，節(jié)約了一個指令周期的時間； 流水技術(shù) 。 計算機(jī)執(zhí)行一條指令時，總要經(jīng)過取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行運算等步驟，需要若干個指令周期才能完成。流水技術(shù)是將各指令的各個步驟重疊起來執(zhí)行，而不是一條指令執(zhí)行完成之后，才開始執(zhí)行下一條指令。即第 一條指令譯碼時，第二條指令取指 。第一條指令取數(shù)時，第二條指令譯碼，第三條指令取指??依次類推，實用流水技術(shù)后，盡管每一條指令的執(zhí)行仍然要經(jīng)過這些步驟，需要同樣的指令數(shù)，但將一個指令段綜合起來看，其中的每一條指令的執(zhí)行就都是一個指令周期內(nèi)完成。 DSP 處理器所采用的將程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間的地址和數(shù)據(jù)總線分開的哈佛結(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 時控制能力 ； 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） ；兩個事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個包括 :兩個 16 位通用定時器 ； 8 個 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 的對稱和非對稱波形 ；當(dāng)外部引腳 PDPINTX 出現(xiàn)低電平時快速關(guān)閉 PWM 通道 ； 可編程的 PWM 死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖 ； 3 個捕單元 ； 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)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級電機(jī)和逆變器 ； 可擴(kuò)展的外部存儲器 （ LF2407） 總共 192K 字空間 ； 64K 字程序存儲器空間 ； 64K 字?jǐn)?shù)據(jù)存儲器空間 ； 64K 字 I/O 尋址空間 ； 看門狗定時器模塊 （ WDT）； 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為 500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個 8 通道輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器或一個 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)的時鐘發(fā)生器 ； 高達(dá) 40 個可單獨編程或復(fù)用通用輸入 /輸出引腳（ GPIO）； 5 個外部中斷 （ 兩個電極驅(qū)動保護(hù)、復(fù)位和兩個可屏蔽中斷 ）； 電源管理包括 3 種低功耗模式，能獨立地將外設(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)動芯片的特點 IR2132 可以用來驅(qū)動工作在母線電壓不高于 600 V 的電路中的功率 MOS 門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為 250 mA，而反向峰值驅(qū)動電流為 500 mA。它內(nèi)部設(shè)計有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便地用來保護(hù)被驅(qū)動的 MOS 門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運用使其可以用于高壓系統(tǒng)，它還可以對同一橋臂上下兩個功率器件的門極驅(qū)動信號產(chǎn)生 O． 8μ s互鎖延時時間。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)計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計還保證了內(nèi)部的 3個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用，亦可只用其內(nèi)部 的 3 個低壓側(cè)驅(qū)動器，并且輸入信號與TTL 及 CMOS 電平兼容。 IR2132 管腳如圖 所示。 VBl～ VB3 是懸浮電源接地端，通過自舉電容為 3 個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源， VSl～ VS3 是其對應(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)動信號輸入端，低電平有效。 ITRIP 是過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護(hù)。 CA 一， CA0， VSO 是內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 13 號檢測。 H01～ H03， L01～ L03 是逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動信號輸出端。 FAULT 是過流、直通短路、過壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個故障保護(hù)的指示信號。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，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 個電流比較器 (Current Comparator)、 1 個電流放大器 (Current Amp)、 1個自身工作電源欠電壓檢測器 (Under Voltage Detector)、 1個故障處理單元 (Fault Logic)及 1個清除封鎖邏輯單元 (Clear Logic)。除上述外，它內(nèi)部還集成有 3個輸入信號處理器 (Input Signal Generator)、2 個脈沖處理和電平移位器 (Pulse Generator Level Shifter)、 3個上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動信號鎖存器 (Latch)、 3個上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動信號與欠壓檢測器 (Under Voltage Detector)及 6個低輸出阻抗 MOS 功率管驅(qū)動器 (Driver)和 1個或門電路。 485 通 訊 RS485 和 RS232 的基本的通訊機(jī)理是一致的，他的優(yōu)點在于彌補了 RS232 通訊距離短，不能進(jìn)行多