【正文】 在每個三角波的負(fù)峰值處，所以各采樣時刻 4CC Tt kT??(k =0,1,2， 生成 SPWM 波的數(shù)學(xué)模型 對稱規(guī)則采樣法是以每個三角波的對稱軸 (底點(diǎn)對稱軸 )所對應(yīng)的時間作為采樣時刻。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 是從電動機(jī)角度出發(fā) 的?？焖匍W存由一片 8位 16K 快速 RAM 構(gòu)成 16K 的程序存儲器，芯片型號是 CY7C1021，因?yàn)?DSP 的指令時間是 50ns，因此本 系統(tǒng)采用存儲時間為 25ns 的快速 RAM 作為調(diào)試時用的程序存儲器，在調(diào)試結(jié)束后這四片存儲器可以從系統(tǒng)中剔除，并把程序固化到 DSP 內(nèi)部的 FLASH ROM 中。 2 3 的按鍵數(shù)為 6 個，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，具體的按鍵編碼對照圖 中的標(biāo)號列成表格 。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 個數(shù)碼管，也就是說只能顯示 三 位數(shù)據(jù)，因此在設(shè) 計的時候，就把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率來顯示。在本系統(tǒng)中，我們采用一片 MAX232 構(gòu)成串行通信模塊。 圖 4 一 8 高速光耦電路 本來光電脈沖編碼器的 A、 B 輸出可以直接接到 TMS32OLF2407A 的 QEPI、 QEP2上，但為了保護(hù)起見，還是加上高速光電隔離，電路如圖 4 一 8 所示。然后由 TMS32OLF24O7A 的 A/D 模塊把它變成相應(yīng)的數(shù)值，由于測得的量全部為正，因此，必須經(jīng)過處理，處 理的辦法就是根據(jù)電機(jī)模型的額定值，加一個偏移量，對于量程為 0一 5V 來說，那么就以 為偏移標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)測得 的量小于 時，那么就說明電流值是負(fù)的，反之則表明電流值是正的。過載能力強(qiáng)，當(dāng)原邊電流超負(fù)荷時，可自動保護(hù)，即使過載電流為額定值的 20 倍， LEM 模塊也不會損壞 。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，在過流、過壓、過溫時都能起到保護(hù)。 2)過熱保護(hù) (0T):如果傳感器檢測到基板溫度超出過熱動作值 (OT)， IPM 內(nèi)部控制電路將截止下橋臂器件的柵驅(qū)動，使控制輸入信號無效，同時給出下橋臂故障信號。六路驅(qū)動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)動電路共用一組電源，其管腳具體功能如下。同時， DSP 還通過 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、過流、過壓、過熱等故障時， DSP 將封鎖 PWM 輸出信號，使電機(jī)停機(jī)，并通過指示 燈顯示。 TMS320LF2407A 事件管理器 作為電機(jī)專用芯片， 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)動控制和電機(jī)控制應(yīng)用的功能和特性。 串口接口 SPI 和 SCI 模塊。 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。 （ 5）儀器 /儀表 —— 雷達(dá)處理、導(dǎo)航等。 DSP 芯片的應(yīng)用 DSP 芯片自 20世紀(jì) 70年代末誕生以來，得到了飛速的發(fā)展。第一條指令取指后譯碼時，第二條指令取指；第一條指令訪問數(shù)據(jù)時，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。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擴(kuò)充。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。因?yàn)槿绻磐ㄌ酰瑳]有充分利用電機(jī)鐵心，這是一種浪費(fèi) 。 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)。本章主要介紹恒壓頻比控制法。 圖 21 交－直－交變頻裝置原理圖 變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識 . 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。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。 但是由于其結(jié)構(gòu)簡單，所以在要求不高的小容量場合還有一定地應(yīng)用。 用 C 語言實(shí)現(xiàn) DSP 與 PC 機(jī)的通信 ，從而有較好的人機(jī)界面。本課題設(shè)計的變頻器便屬于這一類型。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。它們依次是，按主回路變換環(huán)節(jié)分類，按電壓調(diào)制方式分類和按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分類。它省掉了復(fù)雜的矢量變換運(yùn)算與電機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡化處理過程，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。這種控制方式，將交流電動機(jī)模仿直流電動機(jī)的控制方式來加以控制。 第一個階段產(chǎn)生的變頻調(diào)速理論是調(diào)壓調(diào)頻控制。 （ 4） IPM 內(nèi)部采用了優(yōu)化的門極驅(qū)動電路，布局合理，無外部驅(qū)動線；所以抗干擾能力更強(qiáng)。 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 也已問世。但是由于變頻節(jié)能技術(shù)的滯后，我國 70%的電機(jī)拖動系統(tǒng)卻只相當(dāng)于國外 20 世紀(jì) 50 年代的技術(shù)水平，電能浪費(fèi)十分嚴(yán)重。 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)字信號處理器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在國外它已經(jīng)逐步主導(dǎo)了電氣傳動領(lǐng)域，并且已經(jīng)開始向更高性能、更大容量以及智能化的方向發(fā)展。直流電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時，只要保持勵磁電流恒定，通過調(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，只要保持電樞電壓恒定， 就可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。同時，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產(chǎn)生的噪音 ,控制軟硬件實(shí)現(xiàn)簡單，性能價格比合理等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。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。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法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。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)沒有充分發(fā)揮出來。在中、低壓交流電機(jī)傳動控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最多的功率器件有 GTO、 GTR、 IGBT 以及智能模塊 IPM。目前，額定耐壓值為 1200V 的大封裝 IPM 模塊額定電流已經(jīng)可以達(dá)到 800A，額定耐壓值為 600V的超小型封裝 IPM 模塊額定電流也已經(jīng)達(dá)到了 150A。與此同時， IPM 智能模塊也在不斷向更高的水平發(fā)展。在低速時，需要在恒壓頻比控制的基礎(chǔ)之上增加低頻段的電壓補(bǔ)償機(jī)制，以提高電機(jī)的低速控制性能。近年來，圍繞著矢量變換 控制的缺陷，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非線性和對電機(jī)參數(shù)變化敏感等問題，國內(nèi)、外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論研究和應(yīng)用探索。因而這種控制系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)研究階段，沒有真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。后者需要先把固定頻率的交流電整流成直流電，然后再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。 按儲能方式分類 按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分類 ，可以將變頻器分為電流源型變頻器和電壓源型變頻器。本課題運(yùn)用矢量控制并結(jié)合空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)，開發(fā)了以 TI公司的電機(jī)控制專用 DSP芯片 TMS320LF2407A 為心構(gòu)成通用的、具有良好人機(jī)界面的流頻調(diào)速系統(tǒng)。 按照交流異步電動機(jī)的基本原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁 功率 Pm 可分為兩 部分 :一部分 PS= (l 一 S)Pm 是拖動負(fù)載的有效功率，另一部分是轉(zhuǎn)差功率Ps=sPm，與轉(zhuǎn)差率 s 成正比。 上文中繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)串級調(diào)速和雙饋電機(jī)調(diào)速屬于此類調(diào)速系統(tǒng)。這里所謂相當(dāng)于基波分量的信號波并不一定指正弦波，在 PWM 優(yōu)化模 式控制中可以是預(yù)畸變的信號波， 而三角載波也只是為了形象說明調(diào)制原理而借用或用模擬電路產(chǎn)生 PWM 脈沖時所必須采用的波形。由（ 21）式可知，影響電機(jī)轉(zhuǎn)速的因素主要有：電機(jī)的磁極對數(shù) p39。 圖 22 VVVF 控制結(jié)構(gòu)框圖 交流異步電機(jī)的定子繞組的感應(yīng)電動勢的有效值 Es的計算為： （ 22） 式中： Ns為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)， Ks 為基波繞組系數(shù)，φ m 為每極氣隙磁通。針對此問題通常采用的是 U/f 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法，即：針對頻率 fs下降時，電源電壓 Us 成比例的下降，引起 Us下降過低，而采用適當(dāng)提高電壓 Us，以保持磁通量φ m 恒定，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩回升。而在異步電動機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成的，故要達(dá)到磁通恒定的目的就困難得多。但它們并非是由三角載波與正弦調(diào)制波的交點(diǎn)形成，而是從消除某些指定次數(shù)的諧波出發(fā) ，通過計算來確定各個脈沖的開關(guān)時刻。 DSP 是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，其內(nèi)部集成高速乘法器，具有多組內(nèi)部總線，能夠進(jìn)行快速乘法和加法運(yùn)算，適用于高速數(shù)字信號處理的高速、高位單片機(jī)，它具有獨(dú)特的軟硬件結(jié)構(gòu)，體積小、功耗低、使用方便、處理實(shí)時迅速、處理數(shù)據(jù) 量大、精度高、性價比高等顯著優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在實(shí)時快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理的各種算法。 快速的指令周期 哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計，可使 DSP 芯片的指令周期達(dá)到 200ns 以下， TMS320 系列處理器的指令周期已經(jīng)從第一代的 200ns 降到現(xiàn)在 20ns 以下。目前， DSP 芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。 TMS320LF2407A DSP 屬于 TI 公司 TMS320C20xx 系列定點(diǎn) DSP 中的C24xx 產(chǎn)品系列，其中“ LF”代表片內(nèi) Flash EPROM()，“ LC”代表低電壓CMOS()。 提供外擴(kuò)展 64K 字程序存儲器、 64K 字?jǐn)?shù)據(jù)存儲器、 64K 字 I/O 的能力。 1 32 位累加器和 32 位中央算術(shù)邏輯單元 (CALU)， 16 位 16 位并行乘法器，可實(shí)現(xiàn)單指令周期的乘法運(yùn)算， 5個外部中斷。 圖 31 TMS320LF2407A 體系結(jié)構(gòu)框圖 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計及其實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 本系統(tǒng)采用交一直一交電壓型變頻電路，分為主電源電路和控制電路兩大 塊。 主電源電路工作時，因?yàn)橹悄芄β誓K IPM 的開關(guān)頻率很高，開關(guān)動作時會在直流環(huán)節(jié)產(chǎn) 生電流突變，由于主電路分布雜感電感的存在，在 IPM 模塊里的 IGBT的集電極和發(fā)射極以及直流母線上會出現(xiàn)高頻的尖峰電壓毛刺，不但會影響逆變橋的工作，有時還會損壞 IGBT，因此需要在逆變橋上加上一個吸收緩沖電路。如果 IPM 模塊其中有一路保護(hù)電路動作， IGBT 的柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷電流并輸出一個故障信號 (FO)。當(dāng)流經(jīng) IGBT 的電流超出 電流短路動作數(shù)值 (SC)時，軟關(guān)斷將立即啟動，并輸出一個故障信號。 以上的信號都是通過外圍的接口電路直接連接到 TMS32OLF2407A 的外圍電路接口，然后根據(jù)相應(yīng)的設(shè)置，讀出檢測到的具體數(shù)值?？雇獯艌龈蓴_ 能力強(qiáng) 。二是速度估計算法，不同的速度估計算法可以得到不同的速度檢測性能。在 F24O 中將捕獲單元配置成正交編碼脈沖模式，在這種模式下，兩個 16 位通用定時器 T2和 T3可工作于 QEP 模式的 16 位或 32 位雙向計數(shù)器。接收器的典型臨界值是 ，典 型磁滯是 ，可以接收士 30V 的輸入信號。本文中選用的 LCD 分辨率為 320 240 點(diǎn)陣，液晶內(nèi)置控制器為SED1335，它是一款既能進(jìn)行圖形顯示和漢字顯示控制的液晶控制器，內(nèi)部集成 了西文字符，顯示的點(diǎn)陣為 5 7，可以根據(jù)用戶需求自建漢字字庫，顯示點(diǎn)陣為 16 16，簡潔實(shí)用的軟件控制命 令來設(shè)置顯示模式， 8 位并行的數(shù)據(jù)傳輸方式，工作電壓為 +5V。將 2407A 的A 口定義為 I/O 口，行線 IOPA IOPA7 定義為輸出口， IOPA IOPA IOPA5定義為輸入口。因?yàn)橹麟娐饭ぷ髟诟邏合?，而控制電路工作在?壓下，所以要做好隔離工作，以免電網(wǎng)的高次諧波干擾對電子器件的損壞。 軟件法是使電路成本最低的方法，它通過實(shí)時計算來產(chǎn)生 SPWM 波形。 圖 對稱規(guī)則采樣法 下面推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型。 從圖 還可以看出插入死區(qū)時間后波形 的變化情況，死區(qū)的寬度從 0～ 12181。因此 DSP 死區(qū)時間對高、低電平開 通均有效。在程序中根據(jù)輸 入的調(diào)制波頻率值和載波頻率值計算出載波比 N值 ,并根據(jù) U/F 曲線確定調(diào)制度M 值。s。各部分流程圖如下： （ 1）系統(tǒng)初始化流程圖 系統(tǒng)初始化主要有以下幾部分組成：所用變量，事件