【正文】 II THE HARDWARE DESIGE OF AC MOTOR VARIABLEFREQUENCY SPEED REGULATING SYSTEM CONTROL PANEL BASED ON DSP ABSTRACT With 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 electromagic 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， FieldOriented， AC Motor， VariableFrequency Speed Regulating III 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 或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。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 。就目前而言，電 能是全世界消耗最多的能源之一，同時也是浪費最多的能源之一，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的控制 [12]。能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，對于社會、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高都起著極為重要的作用。 在電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及自動控制技術(shù)迅速發(fā)展的今天，電氣傳動技術(shù)正面臨著一場歷史性的革命。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)動保護(hù)集成電路的生產(chǎn)、電氣傳動與系統(tǒng)控制技術(shù)、工業(yè)應(yīng)用等。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，但受到元器件的限制，當(dāng)時只能用閘流管構(gòu)成逆變器，由于投資大，效率低，體積大而未能推廣。交流電機變頻調(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)。 3 控制策略和控制理論 的 發(fā)展 由直流電機的結(jié)構(gòu)可知，直流電機的電樞磁勢和電機的勵磁是相互正交的， 可以對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的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制性能。 在交流電機變頻調(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現(xiàn)幾乎都是以各種 PWM 控制方式來完成的。 其中，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)有： U/F 恒定、速度開環(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平滑調(diào)速的問題，然而，當(dāng)生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能提出更高要求時，上述控制系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略遜一籌。與矢量控制不同的是，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，而是簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的基于 DSP 的交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)研究和實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與給定值比較得出差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。例如由 Intel公司 1983 年開發(fā)生產(chǎn)的 MCS96 系列是目前性能較高的單片機系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。 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 公司專為電機控制而研發(fā)的TMS320F240 芯片?？刂葡到y(tǒng)的軟件化對 CPU 芯片提出了更高的要求，為了實現(xiàn)高性能的交流調(diào)速，要進(jìn)行矢量的坐標(biāo)變換，磁通矢量的在線計算和自適應(yīng)參數(shù)變化而修正磁通模型，以及內(nèi)部 5 的加速度、速度、位置的重疊，外環(huán)控制的在線實時調(diào)節(jié)等，都需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實時處理大量信息。從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較國際先進(jìn)水平差距 10～ 15 年，就目前而言，盡管變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)在國內(nèi)還比較活躍，但是市場上的絕大部分產(chǎn)品 還是被國外產(chǎn)品所占據(jù)，為此，我們需要密切關(guān)注國際變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的趨勢，緊跟著國內(nèi)市場的需求，加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，努力研制出自己的產(chǎn)品。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流 (代表磁動勢 )的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量控制系統(tǒng)。 ?abcdq???is 圖 21 異步電機的坐標(biāo)系 在 dq 坐標(biāo)系下分析轉(zhuǎn)子磁鏈定向時異步電機的模型以及以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的作用，選擇 ? ?Tsqsdsdq iii ? ， ? ?Trqrdrdq ??? ? 作為狀態(tài)變量。 由于是是轉(zhuǎn)子磁鏈 ψr 的方向作為 M 軸的方向，此時應(yīng)有： rrM ??? ??rd (22) 0rq ?? rT?? (23) 將上式帶入轉(zhuǎn)矩方程式和式，并用 {M， T}替代 {d， q}，可得此時電磁轉(zhuǎn)矩和電 方程分別為： ? ?? ?? ?? ? rMrsTrmprMsTrmprTsMrMsTrmpipTiLLniLLniiLLnT11e2???????? (24) ? ????????????????????????????????????????????0000100000111rMsTsMsrmrrmrmsssrmssssTsMiiTLpTTLLLpLRLpLLLpLRuu????????? (25) 式 (25)中，由于 ψr=0，矩陣的第 3 列可改寫為零。 此外，由電機原理知，為了輸出最大轉(zhuǎn)矩，通常需要使電機工作在額定磁鏈狀態(tài)。 (2) 由電壓分量 usT 作為輸入、定子電流的轉(zhuǎn)矩分量 isT 作為輸出的轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩分量 isT 與轉(zhuǎn)矩 Te 為線性關(guān)系。這樣構(gòu)成的系統(tǒng)反而會簡單一些。 所以在 Tr*=Tr 和 is*=is的條件下，依據(jù)式 (29)可以通過控制器內(nèi)的間接運算得到轉(zhuǎn)子磁鏈的位置 [7]。運行時如果設(shè)定 ψrM*=Const，就可以將式中比例微分環(huán)節(jié)省略，用 isM*=ψrM*/Lm 得到 isM*。 (6) 圖所示系統(tǒng)的電流控制在 MT 坐標(biāo)系上進(jìn)行。 坐標(biāo)變換技術(shù) 異步電動機的數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，是因為有一個復(fù)雜的 66 電感矩陣，它體現(xiàn)了影響磁鏈和受磁鏈影響的復(fù)雜關(guān)系，要簡化數(shù)學(xué)模型，需從簡化磁鏈關(guān)系入手。二相靜止坐標(biāo)系到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的互換變換矩陣是 [8]： 12 2 s / 2 r c o s s i ns i n c o sC ????? ????? (219) 12 r / 2 s 2 s / 2 rc o s s i ns i n c o sCC ??? ????? ???? (220) 空間電壓矢量調(diào)制 (SVPWM) 交流電動機中把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形 旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的工作，這種控制方法稱做磁鏈跟蹤控制，磁鏈 軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量 PWM 控制 ” 即 SVPWM 控制 [9]。其中 ? ?0000U ， ? ?1117U 稱為零矢量，起平衡開關(guān)狀態(tài)，減小損耗作用。 表 22 非零矢量作用時間表 扇區(qū)號 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ T1 Z Y Z X X Y T2 Y X X Z Y Z T1 和 T2 求出后，還要對其進(jìn)行飽和判斷，若 T1+T2Ts，則定義為： ? ?? ???? ????21222111 // TTTTT TTTTTss (223) 確定電壓空間矢量切換點 Tcm1， Tcm2， Tcm3 定義為： ? ?????????????2/242121TTTTTTTTTTbcabsa (224) 則在不同扇區(qū) Tcm1， Tcm2， Tcm3 內(nèi)根據(jù)表 23 進(jìn)行賦值。 程序編寫和調(diào)試 對 20xx 系列 DSP 的開發(fā)環(huán)境而言， TI 公司提供了一系列的軟件和硬件平臺，為用戶建立了較好的開發(fā)環(huán)境，其中，主要包括宏匯編器 /連接器、軟件仿真、 C編譯器、 EVM 評估板和仿真器以及相配套的開發(fā)工具。命令文件 (.cmd文件 )是實現(xiàn)對存儲器的程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間的分配，用 MEMORY和 SECTIONS 偽指令創(chuàng)建。運行 .out 文件便可以進(jìn)行軟件調(diào)試，調(diào)試過程中可以進(jìn)行單步運行、設(shè)置斷點和探針、查看被訪問的寄存器和存儲器等等。而 電源一般需要通過 5V 電源變換得到，本設(shè)計采用美國 TI 公司生產(chǎn)的電源管理芯片的 TPS7333將外部輸入的 5V 電壓轉(zhuǎn)換為 ，為 DSP 和 CPLD 器件等需要 電壓的元件供電 [22]。但在本系統(tǒng)中，2K 數(shù)據(jù)空間不能滿足大量數(shù)據(jù)處理的需要，因此需要擴展數(shù)據(jù)空間。因為本設(shè)計將該芯片同時作為數(shù)據(jù)或者程序儲存器來使用，所以對其使能端的設(shè)置很重要。在此將使能端接地始終使能，就是始終選通芯片。因此使用了 A15來實現(xiàn)這個功能。 Xicor 公司的 X5043 是帶有4K 位 SPI 接口的 EEPROM，一個芯片同時具有四個功能：上電復(fù)位控制、看門狗定時器、電源電壓監(jiān)視和塊保護(hù)的串行 EEPROM 存儲器 [10]。 TMS320LF2407A 采用 供電，因此本設(shè)計選擇 供電的型號。 CAN 在風(fēng)力發(fā)電機組變槳控制中可以實現(xiàn)電動變槳控制器與變槳上位主控器之間的通信。在本設(shè)計中， SN65HVD230是用來驅(qū)動 TMS320LF2812 和物理總線間的接口，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。 CAN 總線電路如圖 39 所示。通過對一個 16 位波特率選擇寄存器的編程，可得到64 K 種不同的波特率。在設(shè) 計中需要注意的是，由于 RS232 是單 5V 供電器件，所以它同 DSP 間的信號線必須有電平轉(zhuǎn)換，此板采用的是 74LS2455。在矢量控制系統(tǒng)中，定子 電流的精度和實時性是整個控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵 ， 因此控