【正文】 臺電子計算機的誕生，一場數(shù)字化的技術(shù)革命悄然地引發(fā)。因此 DSP 有別于普通的單片機，它作為一種高速專用微處理器，運算功能強大，能現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù)。目前， DSP 芯片已廣泛應(yīng)用于通 信， 自動控制、航天航空、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。 TMS320LF240xDSP 有以下一些特點 ： 采用哈佛結(jié)構(gòu) 。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。限流啟動是由于開啟主回路時，大電容充電而引起電流過大，這樣會損壞硅堆。 LTS 6NP 是單極電電壓，所以需要系統(tǒng)提供 +5V 的供電電源 [1] 。 交流電機定子電壓檢測的方法很。 LTS 6N 具有可調(diào)測量范圍的功能，主要是因為 LTS 6NP 內(nèi)部有 16 個可跳接的管腳。把上述各種故障信號進行綜合處理形成總的故障信號送入 DSP 的 PDPINTx（ x 為中斷口號 ） 故障中斷入口，進而把 PWM 波封鎖，并斷開主回路。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。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。目 前， DSP 芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發(fā)展，各種各類通用及專用的新型 DSP 芯 片在不斷推出，應(yīng)用技術(shù)和開發(fā)手段在不斷完善。它包含靈活可變的 I/O 接口和片內(nèi) I/O 管理、高速并行數(shù)據(jù)處理、 算 法的優(yōu)化指令集。自動控與計算機幾乎是同步地發(fā)展著。若電源電壓高于 ，則 IGBT 因驅(qū)動電源過高， 保護性能得不到充分的保證，高于 20V 時 IGBT 管的柵極會損壞，因此絕對不能加這么高的電壓。“開通” IPM 延時時間取決于光 耦 的寄生延時數(shù)據(jù)。光電藕合器配件選擇用日本夏普的通用性低速 耦 合器件 PC817。只要有一個保護電路起作用， IGBT 的門極驅(qū)動路 即關(guān)閉，同時產(chǎn)生一個故障信號，可送至 DSP 進行相應(yīng)處理。 IGBT 具有耐壓高、電流大開關(guān)頻率高、導通電阻小、控制功率小等特點。又設(shè)電源功率因數(shù)為 ，那么每一個周期，電容吸收的能量為 [22] ： 22 m i n1 ()2OUT m p kPE C U Unf? ? ? （ ） 式中 OUTP 為電機輸出功率， pkU 為峰值電壓。 因此，需要在控制系統(tǒng)中加入放能回路，當直流電壓超過一定的值時則打開放能通道。 U+UABC 圖 整流橋電流圖 濾波電路 在整流電路中輸出電壓是脈動的，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。 R 1 1R 2 1R1C1C2KA001122L V 2 8 PV3V1 V5V4 V6V2VD1VD4VD3VD6VD5VD2調(diào)制信號L T S 6 N PL T S 6 N PMP C 8 1 7 H C P L 4 5 0 4A / D I N T P W M A / DSPII / OR S 232PC 鍵盤 顯示Q E PR I 4 1T M S 320L F 2 40xABCP S 22 0 5 3M D S 3 0 圖 系統(tǒng)硬件原理圖 整流電路 近年來，在交 直 交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應(yīng)用場合，大都采用不可控整流電路經(jīng)電容濾波后提供直流電源，供后級的逆變器、斬波器等。生成 SPWM 波形的方法很多，例如有等效面積法、自然采樣法、規(guī)則采樣法等。由于磁通比較難以準確地控制和調(diào)節(jié)，故基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速應(yīng)用的較多。 為此可對采樣時刻作另外的選擇，這就是圖 (b)所示的規(guī)則采樣 2 法。其中應(yīng)用最廣泛是規(guī)則采樣法。 圖 生成 SPWM 電波形的自然采樣法 t t Ct 3t 1t 2t 39。三相對稱的參考正弦電壓調(diào)制信號 rau ， rbu ， rcu 由參考信號發(fā)生器提供，其頻率和幅值都是可調(diào)的。 SPWM 原理 目前很容易實現(xiàn)的一種方法是：逆變器的輸出波形是一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些波形與正弦波等效，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。 根據(jù) PWM 控制的基本原理，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù) ， PWM 波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。當調(diào)制波為正弦波時，輸出矩形脈沖序列的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，這種調(diào)制技術(shù)通常又稱為正弦脈寬調(diào)制技術(shù)。由式（ ） 可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 11UE? ，則得 11/Ef=常數(shù)。 根據(jù)電機學原理知識，可以得到交流電機的轉(zhuǎn)速公式為 ： 10 60(1 ) (1 )fn n s sp? ? ? ? （ ） 由式 （ ） 可以看出，交流電機調(diào)速方法主要有三大類 ： 其一是在電機中旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 0n 恒定時，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率 s ，稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 ； 其二是調(diào)節(jié)供電電源頻率廠，稱為變頻調(diào)速 ； 三是改變電機定子繞組的極對數(shù)，稱為變極調(diào)速。 國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下： a． 變頻器的整機技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模； b． 變頻器產(chǎn)品所用半導體功率器件的制造業(yè)還不成熟； c． 相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后； d． 產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎(chǔ) ： 16 位、 32 位高速微處理器以及信號處理器 （ DSP） 和專用集成電路 （ ASIC） 技術(shù)的快速發(fā)展，為實現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司 SimovertA 電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機容量為 102600kVA 和 Simovert PGTOPWM 變頻調(diào)速設(shè)備單機容量為100900kVA，其控制系統(tǒng)己實現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機車、風機、水泵傳動。 IGBT 作為第二代的電力電子器件，它的應(yīng)用使變頻器的性能有了很大的提高，主要表現(xiàn) 為： （ 1） 發(fā)熱減少 ，將曾占主回路發(fā)熱 50~70%的器件發(fā)熱降低了 30%； （ 2） 高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善； （ 3） 提高開關(guān)頻率，實現(xiàn)了電機運行的靜音化； （ 4） 驅(qū)動功率減少，體積趨于更??； 智能功率模塊 （ IPM） 是向第四代器件功率集成電路 （ PIC） 的過渡產(chǎn)品，是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。這樣，如何從本質(zhì)上改變交流電機調(diào)速控制特性，使之具有直流電機的調(diào)速性能，便成為近幾十年來電氣傳動研究工作者努力研究的主要課題之一。其中許多的機械有著調(diào)速的要求，如車輛、機床、造紙機械、紡織機械等等。接著介紹了 TI 公司的 DSP芯片 TMS320LF2407A 的一些特點和內(nèi)部資源以及 SPWM 波形原理和控制算法，最后給出了系統(tǒng)的總體程序流程圖。通過本課題的學習，可以使學生學習到 DSP在控制領(lǐng)域的應(yīng)用原理以及相關(guān)的軟硬件設(shè)計方法。本課題以 DSP為控制核心，針對通用變頻器的功能，進行硬件設(shè)計和編制實用化程序，以實現(xiàn)通用變頻器的基本功能、輔助功能。全文分別介紹了課題的研究背景和意義以及國內(nèi)外變頻調(diào)速發(fā)展的情況，以及三相交流電動機的結(jié)構(gòu)及工作原理和 SPWM 控制技術(shù)，然后給出了系統(tǒng)各部分硬件電路的工作原理、參數(shù)計算以及各部分器件的選取。電動機是電能應(yīng)用的主要形式，是應(yīng)用最廣泛到機械能的變換裝置，世界上超過 60%的發(fā)電量用于驅(qū)動各種各樣的以電動機的為基礎(chǔ)的電力傳 動裝置與系統(tǒng)。這種所謂的不變速系統(tǒng)是指交流電機本身不進行調(diào)速，而為了達到對整個系統(tǒng)的控制又不得不采用其它的措施進行調(diào)速，從而白白消耗了大量的電能。在低壓交流電動機的傳動控制中，應(yīng)用最多的功率器件有 GTO、 GTR、 IGBT 以及智能模塊 IPM（ Intelligent Power Module），后面兩種集 GTR 的低飽和電壓特性和 MOSFET 的高頻開關(guān)特性于一體，是目前變頻系統(tǒng)和通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。在大功率無換向器電機變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利 ABB 公司提供了單機容量為 6 萬 kw 的設(shè)備用于抽水蓄能電站。 控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的 /Vf控制，僅有少量的樣機采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場需要，每年大量進口高性能的變頻器。因此逆變器設(shè)計選用電壓型逆變器，采用 SPWM 逆變技術(shù)。 基頻以下調(diào)速 ： 由式 （ ） 可知，要保持 M? 不變，當頻率 1f 從額定值 1Nf 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低 1E ，使 11/Ef=常數(shù)，即采用電動勢與頻率之比恒定的控制方式。 圖 基頻以下調(diào)速時的機械特性 基頻以上調(diào)速 ： 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從 1Nf 往上增高，但電壓 1U 卻不能超過額 定電壓 1NU ， 最多只能保持 11NUU? 。 由于載波三角波 (或鋸齒波 )的上下寬度是線性變化的，故這種調(diào)制方式也是線性的。不管是等幅 PWM 波還是不等幅 PWM 波，都是基于面積等效原理進行控制的，因此其本質(zhì)是相同的。正是因為調(diào)制法有這樣的優(yōu)點，所以實際應(yīng)用中的主要是調(diào)制法。原始的 SPWM 是由模擬控制來實現(xiàn)圖 是 SPWM 變壓變頻器的模擬控制電路原理框圖。交點 A 是發(fā)出脈沖的時刻， B 點是結(jié)束脈沖的時刻， cT 為三角載波的周期， 1t 為 cT 時間 內(nèi)在脈沖發(fā)生以前 （ 即 A 點以前 ） 的間歇時間， 2t 為 AB 之間的脈寬時間， 3t 為在 cT 以內(nèi) B 點以后的間歇時間，顯然 1 2 3cT t t t? ? ? 。工程上實用的方法要求算法簡單，只要誤差不太大，允許作一近似處理。這是由于電壓水平線與三角載波的高點都處于正弦調(diào)制波的同一側(cè)造成。 圖 生成 SPWM 電波形的規(guī)則采樣法 E et rdU B A D dt t t CT 3t 1t 2t reU dt t t CT 3t 1t 2t a 規(guī)則采樣 Ⅰ 法 b 規(guī)則采樣 Ⅱ 法 3 調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路 12 3 調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路 系統(tǒng)原理及組成 變頻調(diào)速一般可分為基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速和基頻以上的弱磁通變頻調(diào)速。主要依靠 DSP 控制器產(chǎn)生三相互差 120 度的 3 對SPWM 波來實現(xiàn)對逆變器的開關(guān)進行控制?？刂苹芈酚煽刂破?、光電隔離電路、驅(qū)動電路、控制電源電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、系統(tǒng)顯示電路、鍵盤輸入電路、與 PC 通訊電路。整流橋模塊電路原理圖如下圖 。這時，電機對電容器充電導致電容器的電壓上升，如果超過電容的最大允許值將可能導致電容擊穿性的損壞 ； 另外，西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 如果電網(wǎng)交流電壓上升，超過允許值也可能導致設(shè)備的損壞。 未加濾波電容式三相整流輸出的平均電壓為： 132 1 .3 5 3 8 0 5 1 3DCV U V?? ? ? ? （ ） 加上濾波電容 后 DCV 的最大電壓可達到交流線電壓的峰值 ： 12 2 38 0 53 7D CPV U V? ? ? ? （ ） 假設(shè)輸入電壓的波動范圍為 360400V，此對應(yīng) 400V 的輸入，整流后的電壓為540V。 IGBT是 80年代出現(xiàn)的新一代復合型電力電子器件，它集合了 MOSFET和 GTR 的 優(yōu) 點，適合于高速、低功耗的場合，如電機控制，開關(guān)電源等。 c. IPM 內(nèi)置各種保護功能。 IPMPS22053 的故障輸出信號需要選用光電藕合器配件。在此加入了一段小小的延時，被稱之為“死區(qū)”。 （ 2） 驅(qū)動電源應(yīng)在 ~ 之間， IPM 能夠正常工作。如果說當計算機的出現(xiàn)純粹是為了解決日益復雜的計算問題，那么現(xiàn)在計算機已無處不在。它專門處理以運算為主且不允 許延遲的實時信號，可高速行快速傅里葉變換運算。 以 DSP 芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和高西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 速實為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性， 能很好地滿足各個領(lǐng)域的應(yīng)用。 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。即第一條指令譯碼時，第二條指令取指 。在主回路上串聯(lián)限流電阻，當電容電壓達到規(guī)定值時，繼電器動作使其短路，主回路進入正常工作狀態(tài) ； 過流保護是把電流霍爾傳感器采集的電流與給定值比較。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部接線 如圖 所