【正文】 的數(shù)學(xué)模型 對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法是以每個(gè)三角波的對(duì)稱(chēng)軸 (底點(diǎn)對(duì)稱(chēng)軸 )所對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為采樣時(shí)刻。但是實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)控制器的運(yùn)算速度要求非常高， DSP無(wú)疑是能滿(mǎn) 足這一要求的性?xún)r(jià)比最理想的控制器。其中電壓和電流 SPWM 是從電源角度出發(fā)的，而電壓空間矢量 PWM 是從電動(dòng)機(jī)角度出發(fā)的。另外， DSP 工作頻率很高，所以布線的時(shí)候必須考慮高頻千擾?？焖匍W存由一片 8 位 16K 快速 RAM 構(gòu)成 16K 的程序存儲(chǔ)器，芯片型號(hào)是 CY7C1021，因?yàn)?DSP 的指令時(shí)間是 50ns，因此本 系統(tǒng)采用存儲(chǔ)時(shí)間為 25ns 的快速 RAM 作為調(diào)試時(shí)用的程序存儲(chǔ)器，在調(diào)試結(jié)束后這四片存儲(chǔ)器可以從系統(tǒng)中剔除，并把程序固化到 DSP 內(nèi)部的 FLASH ROM 中。硬件延時(shí)消抖電路采用阻容濾波電路，具體電路參見(jiàn)附錄 B。 2 3 的按鍵數(shù)為 6 個(gè)，設(shè)置為功能鍵，分別為光標(biāo)上、光標(biāo)下、光標(biāo)左、光標(biāo)右、確定、取消，具體的按鍵編碼對(duì)照?qǐng)D 中的標(biāo)號(hào)列成表格 。它的接口電路如圖 所示。其電路圖如 4一 11所示 : 圖 4一 11顯示模塊電路圖 從圖中可以看出，只有 三 個(gè)數(shù)碼管，也就是說(shuō)只能顯示 三 位數(shù)據(jù)，因此在設(shè) 計(jì)的時(shí)候，就把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率來(lái)顯示。驅(qū)動(dòng)器 (發(fā)送器 )將 TTL/CMOS 輸入電平轉(zhuǎn)換成 EIA/TIA 一 232 一 E 電平。在本系統(tǒng)中，我們采用一片 MAX232 構(gòu)成串行通信模塊。 QEP電路直接處理光電編碼器輸出的兩路相位相差 90 度的兩路脈沖，只要將這兩路脈沖分別接到 QEPI、 QEP2 即可， QEP模式對(duì)兩路脈沖的前后沿均進(jìn)行計(jì)數(shù)，無(wú)需外部的倍頻電路。 圖 4一 8高速光耦電路 本來(lái)光電脈沖編碼器的 A、 B輸出可以直接接到 TMS32OLF2407A的 QEPI、 QEP2上，但為了保護(hù)起見(jiàn)，還是加上高速光電隔離，電路如圖 4 一 8 所示。本系統(tǒng)采用的是 M法測(cè)速原理，即在某一采樣時(shí)間內(nèi)，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)來(lái)確定電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。然后由 TMS32OLF24O7A 的 A/D 模塊把它變成相應(yīng)的數(shù)值，由于測(cè)得的量全部為正，因此，必須經(jīng)過(guò)處理，處理的辦法就是根據(jù)電機(jī)模型的額定值，加一個(gè)偏移量，對(duì)于量程為 0一 5V來(lái)說(shuō)，那么就以 為偏移標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)測(cè)得 的量小于 時(shí)，那么就說(shuō)明電流值是負(fù)的，反之則表明電流值是正的。LEM 模塊的尺寸小、重量輕，易于安裝，且工作可靠 。過(guò)載能力強(qiáng)，當(dāng)原邊電流超負(fù)荷時(shí)，可自動(dòng)保護(hù)，即使過(guò)載電流為額定值的 20 倍， LEM 模塊也不會(huì)損壞 。 一、電流檢測(cè) 電流檢測(cè)模塊就是把交流異步電機(jī)的三相定子電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 的二進(jìn)制代 碼，以方便處理。該電源模塊，給 IPM 提供四組獨(dú)立的士 10 伏的電源，其中上路輸出的額定電流為 30mA，而另外一路 輸出的額定電流則為 100mA，這樣，就剛好達(dá)到 IPM模塊的要求，而且，該電源模塊內(nèi)設(shè)有保護(hù)電路，在過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫時(shí)都能起到保護(hù)。 對(duì)于所有的故障信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離 TLP559，生成一個(gè)低有效的故障信號(hào) 4 送給DSP 的外部中斷引腳 PDPINT(低電平有效 )，通過(guò)它來(lái)封鎖輸出 PWM 脈沖，從而保護(hù) IPM免遭毀壞。 2)過(guò)熱保護(hù) (0T):如果傳感器檢測(cè)到基板溫度超出過(guò)熱動(dòng)作值 (OT)， IPM 內(nèi)部控制電路將截止下橋臂器件的柵驅(qū)動(dòng)，使控制輸入信號(hào)無(wú)效，同時(shí)給出下橋臂故障信號(hào)。 各種保護(hù)功能簡(jiǎn)單介紹如下 : 1)電源欠壓鎖定 (UV):避免欠壓保護(hù)電路頻繁切換，保證電路的正常運(yùn)行。六路驅(qū)動(dòng)電路共采用四組相互獨(dú)立的 +15V 電源，其中上橋臂三路各采 用一組獨(dú)立電源，下橋臂三路驅(qū)動(dòng)電路共用一組電源，其管腳具體功能如下。圖 (4 一 2)中電容 C3和電阻 R3，就是一個(gè)典型的吸收緩沖電路，其中 C3為 CBB電容， R3 為無(wú)感電阻。同時(shí)， DSP 還通過(guò) LED 顯示當(dāng)前 電機(jī)轉(zhuǎn)速，而且監(jiān)控變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等故障時(shí)， DSP 將封鎖 PWM 輸出信號(hào)，使電機(jī)停機(jī)，并通過(guò)指示燈顯示。主電源 電路主要由整流電路、濾波電路及智能功率模塊 IPM構(gòu)成的逆變電路組成 。 TMS320LF2407A 事件管理器 作為電機(jī)專(zhuān)用芯片， TMS320LF2407A 最大的特色是內(nèi)置了功能強(qiáng)大的事件管理器（ Event Manager），該模塊提供了一套用于運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制應(yīng)用的功能和特性。 1 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) JTAG 仿真接口。 串口接口 SPI和 SCI 模塊。 兩個(gè)專(zhuān)用電機(jī)控制的事件管理器 (EV)，每一個(gè)都包含： 2 個(gè) 16 位的通用定時(shí)器， 8 個(gè) 16 位脈寬調(diào)制 (PWM)輸出通道， 1 個(gè)能夠快速封鎖輸出通道的外部引腳PDPINTx(其狀態(tài)可由 COMCONx 寄存器獲得 )，可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)控制功能， 3 個(gè)捕獲單元， 1個(gè)增量式光電位置編碼器接口。 采用了基于 TMS320C24x DSP CPU 的內(nèi)核，保證了與 TMS320C24x 系列 DSP12代碼的兼容性，與 F240/C240 的指令集和模式均兼容。 TMS320LF2407A DSP 專(zhuān)門(mén)為電機(jī)控制與運(yùn)動(dòng)控制數(shù)字化優(yōu)化實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)，特別適合于三相異步電動(dòng)機(jī)的高性能控制。 （ 5）儀器 /儀表 —— 雷達(dá)處理、導(dǎo)航等。 DSP 芯片的應(yīng)用主要有： （ 1）信號(hào)處理 —— 如數(shù)字濾波、快速傅立葉變換、模式匹配、波形產(chǎn)生等。 DSP 芯片的應(yīng)用 DSP 芯片自 20 世紀(jì) 70年代末誕生以來(lái)，得到了飛速的發(fā)展。 DSP 以運(yùn)算速度快為特征，而單片機(jī)以數(shù)字控 制功能強(qiáng)為特點(diǎn)。第一條指令取指后譯碼時(shí)，第二條指令取指；第一條指令訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，第二條指令譯碼，第三條指令取指；?即在任意給定的周期內(nèi)，可能有 1～ 4條不同的指令是激活的，每一條都處于不同的階段。目前中國(guó)市場(chǎng)上 TI 公司 DSP 芯片占有率在 50％以上，也是我們比較熟悉 DSP芯片之一，其硬件結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是： 哈佛結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)不同于馮 .諾伊曼結(jié)構(gòu)，它是采用程序、數(shù)據(jù)總線分別獨(dú)立并具有多條總線的結(jié)構(gòu)。它保持了原技術(shù)中優(yōu)異的控制性能，使傳統(tǒng)多重化結(jié)構(gòu)的單 調(diào)控制方式得到極大地?cái)U(kuò)充。 移相式 SPWM 技術(shù) 在許多大功率、特大功率應(yīng)用場(chǎng)合，如高壓直流輸電（ HVDC），靜止無(wú)功補(bǔ)償（ SVC），大功率交流電機(jī)調(diào)速等場(chǎng)合。正弦波的頻率和幅值是可控的，只要改變正弦波的頻率，就可以改變輸出脈沖的頻率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變正弦波的幅值，它與三角波的交點(diǎn)發(fā)生改變，使輸出的逆變脈沖序列的寬度發(fā)生變化，從而改變輸出脈沖的電壓，其 SPWM 生成的原理如圖 23所示。、 由 (22) 式可知，要保持Φ m恒定，當(dāng)頻率 f1 從額定值 f1n 向下調(diào)時(shí)，必須同時(shí)降低 Eg，使得 （ ） 然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難于直接控制，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的值較高時(shí)，可以忽略定子壓降，而認(rèn)為定子相電壓 U1≈ Eg，于是有 （ ） 這就是所謂恒壓頻比控制方式。因?yàn)槿绻磐ㄌ?，沒(méi)有充分利用電機(jī)鐵心，這是一種浪費(fèi) 。 當(dāng)供電電源的頻率增加到額定頻率 fsN 以上時(shí)，但是電源電壓 Us不能繼續(xù)上升，只能維持在額定值 UsN 處，這就使得磁通量φ m將隨著頻率 fs（或轉(zhuǎn)速）的升高而成反比例的下降，即相當(dāng)于直流電機(jī)的弱磁升速的狀態(tài)。 這就是保持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩恒定不變的恒壓頻比控制方法，也即 是所謂的 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。將（ 22） 式經(jīng)過(guò)適當(dāng)變換可得： （ 23） 異步電機(jī)繞組端電源電壓 Us與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Es 的關(guān)系為 ： Us =Es +Is r +jIsx （ 24） 該式表示電機(jī)繞組端的電源電壓 Us，一部分產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Es，另一部分則消耗在阻抗（線圈電阻 r 和漏電感 x）上。本章主要介紹恒壓頻比控制法。轉(zhuǎn)差率 s 和供電電源的頻率 fs。 圖 21 交－直－交變頻裝置原理圖 . 1 變頻調(diào)速的基本原理 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可得，交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速是由供電電源頻率和電機(jī)的極對(duì)數(shù)決定的，從而轉(zhuǎn)速 n可以表示為： （ 21） 式中： fs為電機(jī)定子供電電源頻率， p39。不同信號(hào)波調(diào)制后生成的 PWM 脈寬對(duì)變頻效果，比如輸出基波電壓幅值、基波轉(zhuǎn)矩、諧波電流損耗、功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件損耗等的影響差異很大。只有變頻調(diào)速可以構(gòu)成高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而取代直流調(diào)速。這一類(lèi)調(diào)速系統(tǒng)效率有所提高 ，但系統(tǒng)復(fù)雜程度也相應(yīng)的提高了。但是由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以在要求不高的小容量場(chǎng)合還有一定地應(yīng)用。從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗還是得到回收，顯然是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的一種標(biāo)志。 用 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) DSP與 PC 機(jī)的通信，從而有較好的人機(jī)界面。 本文研究的主要內(nèi)容 : 一、硬件部分 以 IPM 為功率器件構(gòu)成逆變電路，以二極管構(gòu)成三相橋式不可控全波整流電路，組成典型交一直一交電壓源型變頻系統(tǒng)主電路。本課題設(shè)計(jì)的變頻器便屬于這一類(lèi)型。前者在主電路中采用大電感濾波和儲(chǔ)能，直流電流波形比較平直，電源內(nèi)阻抗很大，對(duì)負(fù)載而言近似為一個(gè)恒流源。由于調(diào)速性能和工程實(shí)現(xiàn)方法的限制，這種調(diào)制方式的中小型變頻器幾乎已經(jīng)退出了市場(chǎng)。因?yàn)橹绷麟娫谀孀兂山涣麟姺矫嫦鄬?duì)比較容易控制，所以這種類(lèi)型的變頻器在變頻調(diào)速范圍、制造成本，以及在改善變頻后電機(jī)機(jī)械特性等方面有較大的優(yōu)勢(shì)。它們依次是，按主回路變換環(huán)節(jié)分類(lèi)，按電壓調(diào)制方式分類(lèi)和按直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式分類(lèi)。近年來(lái)，基于 矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制算法的無(wú)速度傳感器控制已逐步成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界及變頻器制造廠的研究熱點(diǎn)。它省掉了復(fù)雜的矢量 變換運(yùn)算與電機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化處理過(guò)程，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制手段直接，信號(hào)處理的物理概念明確。 第三個(gè)階段產(chǎn)生的變頻調(diào)速理論是直接轉(zhuǎn)矩控制。這種控制方式，將交流電動(dòng)機(jī)模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方式來(lái)加以控制。此外它還有控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，利用率不高等缺點(diǎn)。 第一個(gè)階段產(chǎn)生的變頻調(diào)速理論是調(diào)壓調(diào)頻控制。例如，日本三菱公司近年來(lái)開(kāi)發(fā)出的第三代小型 DIPIPM 模塊，不需要外接光耦就可以直接與 MCU控制引腳相連，而且通過(guò)內(nèi)部自舉電路可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路單電源供電，從而在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化 ，專(zhuān)用化，高性能，低成本方面又推進(jìn)了一步。 （ 4） IPM 內(nèi)部采用了優(yōu)化的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，布局合理，無(wú)外部驅(qū)動(dòng)線；所以 抗干擾能力更強(qiáng)。因此在中、小容量通用變頻器 領(lǐng)域， IPM 模塊已有逐步取代 IGBT 的趨勢(shì)。 目前，采用溝槽技術(shù)和 FS技術(shù)（ FZ晶片）等方法大幅度降低了集電極與發(fā)射極之間的飽和電壓 Vce（ sat)的第五代 IGBT 也已問(wèn)世。后面兩種功率器件，集 GTR 的低飽和電壓特性和 MOSFET 的高頻開(kāi)關(guān)特性于一體，是目前通用變頻器中應(yīng)用最為廣泛的主流功率器件。但是由于變頻節(jié)能技術(shù)的滯后，我國(guó) 70%的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)卻只相當(dāng)于國(guó)外 20 世紀(jì) 50 年代的技術(shù)水平，電能浪費(fèi)十分嚴(yán)重。有資料顯示， 1997 年全國(guó)現(xiàn)有設(shè)備需要進(jìn)行調(diào)速改造的變頻器市場(chǎng)大約有 1500 億元人民幣。 到目前為止，隨著一些新的交流電機(jī)變頻調(diào)速理論的誕生和現(xiàn)代電力電子技術(shù)，以及高速數(shù)字信號(hào)處理器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在國(guó)外它已經(jīng)逐步主導(dǎo)了電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，并且已經(jīng)開(kāi)始向更高性能、更大容量以及 智能化的方向發(fā)展。 這種情況直到 20 世紀(jì)中葉，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的出現(xiàn)，逐漸催生了高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)之后，這一分工格局才被打破。直流電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時(shí)，只要保持勵(lì)磁電流恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓的方法便可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，只要保持電樞電壓恒定， 就可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速?？?制系統(tǒng)的軟件部分，以 TMS320LF2407A DSP 為核心設(shè)計(jì)了感應(yīng)電機(jī)變壓變頻控制系統(tǒng) ,給出了硬件結(jié)構(gòu)及軟件流程圖 .經(jīng)實(shí)踐證明，基于 DSP芯片的 VVVF 控制變頻調(diào)速系統(tǒng)性能優(yōu)良，運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，電機(jī)運(yùn)行噪音小，不失為一套具有先進(jìn)型、新穎性、實(shí)用性的控制系統(tǒng)。同時(shí)，它能提高電機(jī)的工作效率，改善電機(jī)的工作性能以及減小工作時(shí)產(chǎn)生的噪音 ,控制軟硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，性能價(jià)格比合理等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。 其中以功率逆變器驅(qū)動(dòng)的可調(diào)速交流電機(jī)的使用能很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的工作頻率、電壓及電流大小的調(diào)節(jié)。本文給出了變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方案該變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路包括主電路和功率電路等。由這兩種電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的傳動(dòng)系統(tǒng)，先后于 19 世紀(jì)晚期誕生。在此期間，雖然交流調(diào)速技術(shù)也有了一定的發(fā)展，但是其控制性能卻始終無(wú)法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。到目前為止，人們已經(jīng)提出了種類(lèi)繁多的交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法，常見(jiàn)的主要有：變壓調(diào)速，轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速和雙饋電機(jī)調(diào)速，變極對(duì)數(shù)調(diào)速和變頻調(diào)速。但是就總體而言，推進(jìn)的力度還不夠，變頻器應(yīng)有的潛能還遠(yuǎn)沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)。這其中， ～ 220kw 的中小型異步電動(dòng)機(jī)又約占全部電