【正文】 基于DSP的異步電動(dòng)機(jī)的變頻系統(tǒng)控制板的硬件設(shè)計(jì)摘 要隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣傳動(dòng)控制在工業(yè)中起著極為重要的作用，為了滿足高性能、節(jié)能等要求，交流調(diào)速控制系統(tǒng)以其特有的優(yōu)點(diǎn)正逐步取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速，已經(jīng)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了基于DSP的交流異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先，分析討論了交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的高階、非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出特點(diǎn)，討論了交流電機(jī)的矢量控制。其次，在分析了變頻調(diào)速系統(tǒng)控制器的功能需求基礎(chǔ)上，以TI公司的TMS320LF2812作為變頻調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)的核心處理器，進(jìn)行了控制板的電源電路、存儲(chǔ)器電路、通訊以及調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了控制板硬件原理圖和PCB圖。最后，針對(duì)系統(tǒng)多電源、高頻率、弱電與強(qiáng)電等特點(diǎn)，分析了變頻系統(tǒng)的電磁干擾，對(duì)軟、硬件抗干擾措施進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：DSP，磁場(chǎng)定向，交流異步電機(jī)，變頻調(diào)速THE HARDWARE DESIGE OF AC MOTOR VARIABLEFREQUENCY SPEED REGULATING SYSTEM CONTROL PANEL BASED ON DSPABSTRACTWith the continuous development of the electrical and electronical technology, electric drives act as extremely prominent function in modernization. In order to meet the requirements of high performance, environmental protection and energy conservation, AC variablefrequency speed regulating system with the special advantage is replacing the conventional direct current speed regulating system gradually. Thus AC variablefrequency speed regulating system makes the important role in the electric drives.Firstly, the mathematics models of AC motor with characters of higher order, nonlinear，strong coupling and multivariable is discussed in this paper，then AC motor vector control is studied.Secondly, in order to meet the function needs of variablefrenquency speed regulating, TMS320LF2812 is selected as the core processors of the system. Power circuit, memory circuit, munications and processing circuit are designed.Finally, the factors of multipower, high frequency and weak electric and strong electric are coexisted and so on. The electromagnetic interference of the other equipment is serious interfered by the system. The antijamming is discussed and analyses in the paper. Key words：Digital Signal Processor，F(xiàn)ieldOriented，AC Motor，VariableFrequency Speed Regulating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)位或證書使用過的材料。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 日目 錄1 緒論 1 本課題的研究背景和研究意義 1 交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況及其運(yùn)用 2 電力電子技術(shù)的發(fā)展 2 控制策略和控制理論的發(fā)展 3 全數(shù)字化高性能微處理器運(yùn)用于電機(jī)控制 4 目前變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、展望 5 本文的主要內(nèi)容 52 矢量控制原理概述 6 轉(zhuǎn)子磁鏈定向條件下的電機(jī)模型 6 轉(zhuǎn)子磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)的算法 9 坐標(biāo)變換技術(shù) 11 三相靜止/任意二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的變換(3s/2r變換) 11 二相靜止/二相旋轉(zhuǎn)變換(2s/2r變換) 11 空間電壓矢量調(diào)制(SVPWM) 123 變頻系統(tǒng)控制板的硬件設(shè)計(jì) 14 TMS320F2812簡(jiǎn)介 14 TMS320F2812 DSP簡(jiǎn)介 14 程序編寫和調(diào)試 15 電源電路設(shè)計(jì) 16 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 17 通訊接口電路設(shè)計(jì) 18 調(diào)理板電路設(shè)計(jì) 20 電流采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì) 20 電壓采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì) 214 控制板PCB設(shè)計(jì) 23 PCB布局 23 PCB布線 245 抗干擾討論分析 27 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁干擾 27 電源對(duì)系統(tǒng)的影響 27 瞬態(tài)脈沖對(duì)數(shù)字電路的干擾 27 分布電感、電容對(duì)信號(hào)的影響 28 硬件抗干擾技術(shù) 28 系統(tǒng)電源的電磁兼容設(shè)計(jì) 28 接口電路的抗干擾措施 29 IPM電磁兼容設(shè)計(jì) 29 電路板布局設(shè)計(jì) 29 合理布線 30 軟件抗干擾技術(shù) 30 離散信號(hào)的采樣和濾波 31 模擬信號(hào)的采樣和濾波 31 軟件對(duì)異常情況的處理方法 31結(jié)論 32致謝 33參考文獻(xiàn) 3436 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，為解決能源問題必須先從電能著手，其中起代表性的就是電機(jī)的控制[12]。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。在高速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，我國(guó)能源工業(yè)面臨著經(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)能方面投入的資金高達(dá)500億元左右，由此可見，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)過了二十多年的發(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，交流調(diào)速在國(guó)內(nèi)外發(fā)展十分迅速，打破了過去直流拖動(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)的不斷出新、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[3]。 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)越性早在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)速具有高效率、高精度和寬范圍等特點(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)的種類也很多，從早期提出的電壓源型變頻調(diào)速開始，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 TorqueControl)及無速度傳感器控制等。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。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