【正文】 程序包括：串口通信中斷服務(wù)程序、PWM中斷服務(wù)程序、故障中斷服務(wù)程序。CCS中還提供了DSP／BIOS丌發(fā)工具，CCS由C編譯器、模擬囂軟件、調(diào)試軟件以及插件等組成。工程的整體結(jié)構(gòu)如圖57所示：圖57工程的整體結(jié)構(gòu)5．3．2程序說明1．庫(kù)文件RTS2XX．LIB是C語言必須用到的系統(tǒng)庫(kù)，不需要用戶編寫，可以在CCS 安裝目錄下的C2400\cgtools\lib中找到。3．命令文件命令文件LF2407．CMD以．CMD為后綴，實(shí)現(xiàn)對(duì)程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的分配。頭文件代碼比較長(zhǎng)，可以從TI的例程中復(fù)制到工程中，再根據(jù)自己需要做適當(dāng)修改即可。整個(gè)工程由庫(kù)函數(shù)文件、頭文件、命令文件、中斷向量文件及用匯編或C語言編寫的源程序文件組成。其程序流程如圖5—4所示： 故障中斷服務(wù)程序主要任務(wù)是：當(dāng)TMS320LF2407的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳接收到過流、欠壓、過熱、短路等故障信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生中斷，立刻封鎖PWM輸出，斷開主電路并顯示相應(yīng)的故障，避免系統(tǒng)和IPM功率模塊燒壞。由于只是簡(jiǎn)尊的參數(shù)給定和顯示，所以在這小再詳細(xì)介紹，其界面如圖5—l所示：圖51串口通信上位機(jī)控制界面下位機(jī)控制程序主要由主程序和三個(gè)中斷服務(wù)子程序組成。圖422是CAN總線接口電路。為此要擴(kuò)展非易失性存儲(chǔ)器，我們選用了SPI 總線的存儲(chǔ)器 25AA010A，它是2．5—5．5V的電源供電，帶有塊鎖存保護(hù)的CMOS 串行EEPROM 陣列，128 X 8bits存儲(chǔ)空間，可提供至少1000000次擦寫和100 年的數(shù)據(jù)保存期。我們選擇了CY7C1021作為外部存儲(chǔ)器。圖415晶體、晶振時(shí)鐘及鎖相環(huán)電路圖圖416晶振輸出時(shí)鐘波形3復(fù)位電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電時(shí)可自動(dòng)復(fù)位，但為了防止系統(tǒng)受到外界干擾或電源波動(dòng)時(shí)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，還專門加了外部復(fù)位電路。時(shí)鐘電路選擇原則有：1)系統(tǒng)中要求多個(gè)不同頻率時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，首選可編程時(shí)鐘芯片。有時(shí)一些片選及時(shí)序不J下常工作也是有時(shí)鐘信號(hào)的毛刺造成的(尤其在高頻系統(tǒng)中)。 4．4．2 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)DSP最小系統(tǒng)是指既沒有輸入通道，也沒有輸出通道，同時(shí)也不與其它系統(tǒng)進(jìn)行通信的DSP系統(tǒng)。 (7) 10位AD轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns，8個(gè)或16個(gè)多路復(fù)用的通道，可選擇由兩個(gè)事件管理器或軟件觸發(fā)?？刂葡到y(tǒng)功能框圖如圖412所示：圖412控制系統(tǒng)功能框圖4．4．1主控芯片TMS320LF2407A介紹TMS320系列DSP的體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，該系列DSP控制器將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了理想的解決方案。輸出光電二極管D3產(chǎn)生的輸出電流I2與D1發(fā)出的伺服光通量成線性比例。 4．3信號(hào)采集電路設(shè)計(jì) 在交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，要把直流母線電壓、相電壓、相電流等信號(hào)采集到DSP中，實(shí)現(xiàn)用低壓數(shù)字器件去測(cè)量控制高電壓、強(qiáng)電流等模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒有電氣隔離，那么，高壓強(qiáng)電流很容易串入低壓數(shù)字電路中，將器件燒毀。如果下臂IGBT的最小導(dǎo)通脈沖寬度Tmin或者上臂IGBT的最小關(guān)斷脈沖寬度Tmin為 20us，自舉電容在此期間需要被充電△VDB =1V，則有：（）即自舉電阻選擇為4Ω。因此，當(dāng)VS處的電位下降到VEC2時(shí)，C1開始充電以恢復(fù)其下降的電位。充電動(dòng)作如圖4—8所示，通過開通下臂(N側(cè))的IGBT2，自舉電容被充電。HCPL4504內(nèi)部集成高靈敏度光傳感器，極短的寄生延時(shí)為IPM應(yīng)用中的高速開關(guān)的死區(qū)時(shí)間確保了安全，是功率器件接口的完美解決方案。圖45采用高速光耦隔離的IPM典型應(yīng)用接口電路 1)光耦隔離 為提高電路安全性，DSP的PWM信號(hào)輸出端與IPM的控制信號(hào)輸入端之間最好用光耦進(jìn)行隔離(可以直接驅(qū)動(dòng)，但不推薦)。161200PM200CLA060內(nèi)置6單元3相輸出：短路，過流，過溫，欠壓保護(hù)。 15Ps21564內(nèi)置6單元3相輸出，過流保護(hù)，欠壓保護(hù)。 第一：根據(jù)IPM的過流值以確定峰值電流。IPM自動(dòng)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電源，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^l0u S 時(shí)，將截止驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在靠近IGBT的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)基板過熱時(shí)，IPM內(nèi)部控制電路將截止柵級(jí)驅(qū)動(dòng)，不響應(yīng)輸入控制信號(hào)。以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場(chǎng)，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服進(jìn)給，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。在加入濾波電容之前，單相整流橋輸出平均電壓為： （）加上濾波電容之后，UD的最高電壓可達(dá)到交流線電壓的峰值： ()假設(shè)輸入電壓的波動(dòng)范圍是220V～240V，電源功率因數(shù)為0．9，那么每一個(gè)周期內(nèi)電容吸收的能量為： ()式中POUT為電機(jī)輸出功率，UPK為峰值電壓，Umin為最小交流輸入電壓。本課題所用電機(jī)為900W，屬于小功率范圍，因此采用220V單相整流橋整流。檢測(cè)電路將檢測(cè)到的信號(hào)傳給DSP，DSP做出相應(yīng)處理后將各種信息再經(jīng)串口傳送到上位機(jī)顯示出來，使我們可以很清楚的看到系統(tǒng)運(yùn)行狀況。Ux表示。UUx177。圖3—3表示參考電壓矢量Uref和與之對(duì)應(yīng)的αβ軸分量Uα和Uβ 以及基本空間矢量Ul和Um的對(duì)應(yīng)關(guān)系(其中Ul和Um是任意兩個(gè)相鄰的基本空間矢量)。表31功率管開關(guān)狀態(tài)與線、相電壓以及與相電壓在αβ坐標(biāo)系分量的關(guān)系表矢量UVW狀態(tài)相電壓線電壓αβ坐標(biāo)系VaVbVcVabVbcVcaVsαVsβU000000000000U11002Vdc /3Vdc /3Vdc /3Vdc0 Vdc0U2110Vdc /3Vdc /32Vdc /30VdcVdc U3010Vdc /32Vdc /3Vdc /3Vdc Vdc 0U40112Vdc/3Vdc /3Vdc /3Vdc 0Vdc 0U5001Vdc /3Vdc /32Vdc /30VdcVdcU6101Vdc /32Vdc/3Vdc /3VdcVdc0U711100000000在該表中Va 、 Vb 和 Vc表示3個(gè)輸出的相電壓，Vab、 Vbc 和 Vca表示3個(gè)輸出的線電壓，Vsα、Vsβ是空間矢量分解得到的子軸分量。SVPWM控制用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，不但能達(dá)到較高的控制性能，而且由于它把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體處理，使所得模型簡(jiǎn)單，便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)。即 E／f≈U／f=常數(shù) (36)所以，在變頻的同時(shí)也需要變壓，這就是所謂的VVVF或VF。 理論上這種新的平衡對(duì)機(jī)械特性影響不大。由式(31)可見，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)P，轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f。當(dāng)觀察者站在鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，在他看來，d和q是兩個(gè)通以直流而且相互垂直的靜止繞組，如果控制磁通的位置在d軸上，就相當(dāng)于直流電機(jī)物理模型了?？梢杂珊?jiǎn)單的三角函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出從三相到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣： （29）若為三相平衡系統(tǒng)，uA+ uB+ uC =0，則矩陣的第三行系數(shù)為0，于是可寫成為 (210)即 (211)變換后的兩相電流有效值為三相電流有效值的倍，因此，每相功率為三相繞組每相功率的3/2倍，但相數(shù)由原來3變成2，所以變換前后總功率不變。為了對(duì)三相系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，就必須對(duì)電動(dòng)機(jī)的參考坐標(biāo)系進(jìn)行變換，這就叫——坐標(biāo)變換。 由以上方程可知，異步電機(jī)的非線性強(qiáng)耦合主要表現(xiàn)在磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程中，既存在定子和轉(zhuǎn)子之間的耦合，也存在三相繞組間的交叉耦合。4)忽略溫度和頻率變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響。 3．設(shè)計(jì)一臺(tái)900W的小功率異步電機(jī)變頻裝置。2006年9月飛思卡爾公司推出了4款16位新型DSP 56F8000和DSC(數(shù)字信號(hào)控制器)56F80X系列產(chǎn)品，該系列可提供16位96MHZ的PWM，并且具有可編程故障功能，高度精確的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)等。SVPWM調(diào)制技術(shù)一問世就受到人們的高度重視，其獨(dú)特的矢量調(diào)制方式，把電動(dòng)機(jī)與PWM逆變器看為一體，著眼于如何使電動(dòng)機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)為目標(biāo)，他以三相對(duì)稱正弦電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)中的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的磁鏈有效矢量來逼近基準(zhǔn)圓；即用多邊形來近似逼近圓形，理論分析和實(shí)驗(yàn)都表明SVPWM調(diào)制具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪音低，直流電壓利用率高(比普通的SPWM調(diào)制約高15％)等優(yōu)點(diǎn)。 直接轉(zhuǎn)矩方法優(yōu)點(diǎn)在于：直接在定子坐標(biāo)系上分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換和計(jì)算。二 矢量控制 交流傳動(dòng)理論在70年代獲得了突破性的發(fā)展。IPM是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速低耗的IGBT和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，采用了有電流傳感器功能的IGBT，能連續(xù)監(jiān)控功率器件電流，從而實(shí)現(xiàn)高效的過電流保護(hù)。因此，電機(jī)的變頻調(diào)速控制越來引起人們的重視，同時(shí)對(duì)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也提出了高效率、高精度、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。直流電機(jī)由于其便于控制和控制精度比較高的特點(diǎn)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被廣泛應(yīng)用，被人們認(rèn)為難以被其他電機(jī)所取代。本課題主要針對(duì)交流異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和探討，提出了相應(yīng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方案，以TI公司的電機(jī)專用控制芯片DSP TMS320LF2407A為控制核心，采用V／F控制和空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流異步電機(jī)變頻調(diào)速控制。結(jié)果表明了該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速性能，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性和可行性。充分有效地利用能源已成為緊迫的問題。目前交流電機(jī)變頻調(diào)速控制己經(jīng)成為一門集電機(jī)、電力電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)控制和數(shù)字仿真為一體的新興學(xué)科。具體來說，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電壓利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。其后，隨著現(xiàn)代控制理論、微處理技術(shù)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入了伺服控制的高精度領(lǐng)域，而且實(shí)現(xiàn)了無速度傳感器的矢量控制。同時(shí)，直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的控制也較復(fù)雜，造價(jià)較高。早期是以 51系列為代表的8位單片機(jī)，后來發(fā)展為以96系列為代表的16位單片機(jī)，再到80年代出現(xiàn)DSP，現(xiàn)在向著以DSP內(nèi)核+MCU外設(shè)的混合芯片發(fā)展。通過比較我們選用性價(jià)比較高的TMS320LF2407A，它是TI公司專為電機(jī)控制推出的一款DSP。 5．對(duì)系統(tǒng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析與總結(jié)。設(shè)A軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子以∞速度旋轉(zhuǎn)。由于定子和轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其夾角0不斷變化，使互感矩陣為非線性。對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)變換有：從三相到兩相的靜止坐標(biāo)變換(3s／2s)；從兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(2s／2r)等。 2．2．2從兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(2s／2r) 在兩相靜止坐標(biāo)α—β和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d—q之間的變換簡(jiǎn)稱為2s／2r變換。其變換矩陣為 （212）其逆變換矩陣為 （213）圖23 2s／2r變換 2．3交流異步電動(dòng)機(jī)在不同坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 2．3．1在兩相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)3s／2s變換后在兩相靜止坐標(biāo)系α—β上的數(shù)學(xué)模型為：1．電壓方程 （214）2．磁鏈方程 （215）3．轉(zhuǎn)矩方程 （216）4．運(yùn)動(dòng)方程 （217）式中：Ls Lr —定子、轉(zhuǎn)子—相的自感； Rs Rr —定子、轉(zhuǎn)子—相的電阻； Lm—定轉(zhuǎn)子繞組的互感； ω—轉(zhuǎn)子角頻率。本課題采用了VF控制和 SVPWM相結(jié)合的控制方法。 為解決機(jī)械特性下降的問題，一種解決方案是設(shè)法保持磁通量恒定不變。因?yàn)槎ㄗ幼杩箟航邓急戎卦龃螅沟脤?shí)際上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E減小，E／f的比值減小，造成磁通量Φ減小，因而導(dǎo)致電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩下降。當(dāng)逆變橋上半部分的一個(gè)功率管開通時(shí)(即a、b或C為1時(shí))，其下半部分相對(duì)的功率管被關(guān)閉(即a’、 b’或C’為0)。 （）由于逆變橋中，功率管開關(guān)狀態(tài)的組合一共只有8個(gè)，則對(duì)應(yīng)于開關(guān)變量矢量[a b c]t在αβ坐標(biāo)系中的Vsα、Vsβ也只有有限種組合。將上式分別在α，β軸投影得： （）由表3l可知基本空間矢量的幅值都是Vdc即Ul=Um=Vdc代入式(3．11)可得矢量作用時(shí)間： （）3．2．3用DSP實(shí)現(xiàn)SVPWM的兩種方案 前面我們已經(jīng)知道，定子參考電壓矢量Uref，耐是由它所在扇區(qū)中的兩個(gè)基本空 間矢量Ux、Ux177。這種方案可以很容易的用軟件編程控制TMS320LF2407A的三路PWM通道來實(shí)現(xiàn)。2)硬件方案中SVPWM狀