【文章內(nèi)容簡介】 提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。輸入部分為雙路PWM及對應(yīng)控制電源信號，經(jīng)獨(dú)立或互鎖設(shè)定單元確定電路工作模式，可設(shè)定為普通全橋模式或無死區(qū)控制全橋模式。普通全橋應(yīng)用時，上下兩管信號互鎖，用戶可以設(shè)置死區(qū)時間，確保不直通。無死區(qū)全橋模式應(yīng)用時，上下兩管可以同時導(dǎo)通，因此可用于電流型全橋電路的驅(qū)動。通過DC/DC輔助開關(guān)電源，可得到四路相互獨(dú)立的24V電壓輸出，于四片驅(qū)動芯片的供電。與傳統(tǒng)的四路變壓器隔離供電相比，減小了體積，節(jié)省了成本，且使用更加方便，當(dāng)主控板電源電壓為15V供電時，可與之使用同一電源。驅(qū)動單元輸出四路隔離驅(qū)動信號，用于驅(qū)動IGBT，同時對IGBT起保護(hù)作用。當(dāng)IGBT的電流過大，集電極對發(fā)射極的電壓達(dá)到閾值電壓時，驅(qū)動器啟動內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制。因?yàn)楦鞣N尖峰干擾的存在，為避免頻繁的保護(hù)影響開關(guān)電源的正常工作，設(shè)立盲區(qū)是很有必要的；當(dāng)過流信號時間大于設(shè)定的盲區(qū)時間時，開始軟關(guān)斷。軟關(guān)斷開始后，驅(qū)動器封鎖輸入PWM信號，即使PWM信號變成低電平，也不會立即將輸出拉到正常的負(fù)電平，而要將軟關(guān)斷過程進(jìn)行到底。軟關(guān)斷開始后經(jīng)過短暫延遲，驅(qū)動板經(jīng)光耦隔離輸出互補(bǔ)的故障報警信號，由主控板處理。IGBT的短路保護(hù)動作閾值、保護(hù)盲區(qū)時間、軟關(guān)斷時間等參數(shù)可通過用戶保護(hù)參數(shù)設(shè)置單元靈活設(shè)置，也可以使用默認(rèn)值[17]。圖9 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)框圖圖10 應(yīng)用連接圖 控制回路設(shè)計控制電路控制電路由DSP控制板及其外圍電路組成，主要完成信號檢測、控制算法實(shí)現(xiàn)、逆變器PWM波形輸出等功能。所有復(fù)雜的控制算法和控制策略都是通過TMS320F2407A控制器來實(shí)現(xiàn)的，涉及到DSP的大部分集成外設(shè)，如：事件管理器EV、串行通訊接口SCI、串行外設(shè)接口SPI、PWM發(fā)生模塊等。 DSP控制板(1) DSP芯片概述數(shù)字信號處理是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興科學(xué)。20世紀(jì)60年代至今，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到了迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是利用計算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮識別等處理以得到符合人們需要的數(shù)字形式。圖11所示的是一個典型的數(shù)字信號處理系統(tǒng)框圖。圖11 數(shù)字信號處理系統(tǒng)框圖圖11中，輸入信號可以是語音信號、傳真信號，也可以是視頻信號，還可以是傳感器（如溫度傳感器）的輸出信號。輸入信號經(jīng)過帶限濾波后，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少是輸入帶限信號最高頻率的2倍，在實(shí)際應(yīng)用中一般為4倍以上。數(shù)字信號處理一般是用DSP芯片和在其上運(yùn)行的實(shí)時處理軟件對輸入數(shù)字信號按照一定的算法進(jìn)行處理，然后將處理后的信號輸出給D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、內(nèi)插和平滑濾波后得到連續(xù)的模擬信號[18]。DSP是指用于進(jìn)行數(shù)字信號處理的可編程微處理器，人們常用DSP一詞來指通用數(shù)字信號處理器。(2) DSP芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 改進(jìn)的哈弗結(jié)構(gòu) 多總線結(jié)構(gòu) 流水線技術(shù) 多處理單元 特殊的DSP指令 指令周期短 運(yùn)算精度高 豐富的外設(shè) 功耗低DSP特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的信息處理能力、及較高的運(yùn)行速度，是DSP最重要的特點(diǎn)。DSP是高性能系統(tǒng)的核心，它接收模擬信號（如光和聲），將它們轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，實(shí)時地對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字技術(shù)處理。這種實(shí)時能力使DSP在聲音處理、圖像處理等不允許時間延遲的領(lǐng)域的應(yīng)用十分理想，成為全球70%數(shù)字電話的“心臟”，同時DSP在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。DSP芯片的發(fā)展歷程在DSP芯片出現(xiàn)之前，數(shù)字信號處理只能依靠通用微處理器（MPU）完成，但MPU較低的處理速度卻無法滿足系統(tǒng)高速實(shí)時的要求。直到20世紀(jì)70年代，才有人提出了DSP理論和算法基礎(chǔ)。那時的DSP僅僅停留在教科書上，即便是研制出來的DSP系統(tǒng)也是用分立元件組成的，其應(yīng)用領(lǐng)域僅限于軍事、航空航天部門。世界上第一片單片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)TI公司1982年推出的DSP芯片。這種DSP器件采用微米工藝、NMOS技術(shù)制作，雖功耗和尺寸稍大，但運(yùn)算速度卻比MPU快幾十倍，尤其在語音合成，編解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP芯片的問世，使DSP應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進(jìn)了一大步至20世紀(jì)80年代中期，隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP應(yīng)運(yùn)而生，其運(yùn)算速度和存儲容量都得到了成倍的提高，成為語音處理和圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年達(dá)后期，第三代DSP芯片問世，運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大到通信和計算機(jī)領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代DSP發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP。第五代產(chǎn)品與第四代產(chǎn)品相比，系統(tǒng)集成度更高，將DSP芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上，這種集成度極高的DSP芯片不僅在通信、計算機(jī)領(lǐng)域大顯身手，而且逐漸滲透生活的各個方面，并逐漸成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定性因素。目前對DSP爆炸性需求的時代已經(jīng)來臨，前景十分廣闊?，F(xiàn)在世界上的DSP芯片有300多種，生產(chǎn)DSP的公司有80多家，主要廠家有TI公司、AD公司、Lucent公司、Motorola公司和LSI Logic公司。TI公司作為DSP生產(chǎn)商的代表，生產(chǎn)的品種很多，大約占市場份額的60%[19]。（3） DSP芯片的應(yīng)用DSP芯片的應(yīng)用幾乎已遍及電子與信息的每一個領(lǐng)域，常見的典型應(yīng)用如下： 通用數(shù)字信號處理：數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)、FFT、希爾伯特變換、自適應(yīng)濾波、窗函數(shù)和譜分析等。 語音識別與處理：語音識別、合成、矢量編碼、語音鑒別和語音信箱等。 圖紙/圖像處理：二維/三維圖形變換處理、模式識別、圖像鑒別、圖像增強(qiáng)、動畫、電子地圖和機(jī)器人視覺等。 儀器儀表：暫態(tài)分析、函數(shù)發(fā)生、波形產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、石油/地質(zhì)勘探，地震預(yù)測與處理等。 自動控制：磁盤/光盤伺服控制、機(jī)器人控制、發(fā)動機(jī)控制和引擎控制等。 醫(yī)學(xué)工程：助聽器、X射線掃描、心電圖/腦電圖、病員監(jiān)護(hù)和超聲設(shè)備等。 家用電器：數(shù)字電視、高清晰度電視（HDTV）、高保真音箱、電子玩具、數(shù)字電話等。 通信：糾錯/譯碼、自適應(yīng)均衡、回波抵消、同步、分散接收、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)軟件無線電和擴(kuò)頻通信等。 計算機(jī)：陣列處理器、圖形加速器、工作站和多媒體計算機(jī)等。 軍事：雷達(dá)與聲納信號處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制造、保密通信、全球定位、電子對抗、情報收集與處理等。利用DSP來控制各類電機(jī)，不僅能方便的實(shí)現(xiàn)控制電路，并且能完成各種復(fù)雜的、高性能的控制策略。微處理器通過控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)角，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作，可使電機(jī)的性能有很大的提高。TMS320LF2407A是美國TI(TexasInstruments)公司專為數(shù)字電機(jī)控制而推出的一種定點(diǎn)DSP，是基于TMS320CZ雙型16位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器(DSP)的新型DSP控制器系列的首批成員。它集DSP的信號高速處理能力和適用于電機(jī)控制的外圍電路于一體，為電機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計提供了一個理想的解決方案，在電機(jī)數(shù)字控制中得到廣泛的應(yīng)用[20]。（4） TMS320LF2407A具有如下的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 采用了高性能的靜態(tài)CMOS制造技術(shù)，使得該DSP具有低功耗和高速的特點(diǎn)。，減小了控制器的功耗。高速運(yùn)算能力，30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns，從而提高了控制器的實(shí)時控制能力。低功耗有利于電池供電場合；而高速非常適合電機(jī)的實(shí)時控制； 片內(nèi)集成了32K字的Flash程序存儲器、2K字的SRAM、544字的DRAM； 兩個專用于電機(jī)控制的事件管理器（EVA、EVB）。每個事件管理器都包括：2個16位通用定時器，8個16位脈寬調(diào)制PWM通道，1個能夠快速封鎖輸出的外部引腳PDPINTX，可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)功能，3個捕捉單元，1個增量式光電位置接口。事件管理器模塊特別適用于控制交流感應(yīng)電動機(jī)、直流無刷電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)； 提供外擴(kuò)展64K字的程序存儲器、64K字的數(shù)據(jù)存儲器、64K字的I/O能力； 片內(nèi)看門狗電路，實(shí)時監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)； 16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，具有可編程排序功能，4個啟動A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)器。 串行通訊SCI模塊，支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通訊，可編程65535種傳輸速度； I/O模塊、SPI模塊； 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12 TMS320F2407DSP結(jié)構(gòu)框圖[21] TMS320LF2407A DSP有兩個事件管理器EVA和EVB，每個事件管理器都有兩個定時器、三個比較單元、三個捕捉單元、一個增量式光電編碼器接口。事件管理器這個為應(yīng)用而優(yōu)化的外圍設(shè)備單元與高性能的DSP內(nèi)核一起，使在所有類型電機(jī)的高精度、高效和全變速控制中使用先進(jìn)的控制技術(shù)成為可能。事件管理器中包括一些專用的脈寬調(diào)制(PWM)單元。例如:一個可編程的死區(qū)單元和一個用于三相電機(jī)的空間向量PWM狀態(tài)機(jī)，它們可以在功率三極管開關(guān)過程中提供最大的效率。三個獨(dú)立的雙向定時器，每一個都有單獨(dú)的比較寄存器，可支持不對稱的或?qū)ΨQ的PWM波形。四個捕獲輸入中的兩個可直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖信號[22]。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包含兩個帶有內(nèi)部采樣－保持電路的10位串行/電容模數(shù)轉(zhuǎn)換器。TMS320LF2407A中有16個模擬輸入通道，其中每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器有8個輸入通道，并且TMS320F2407A有兩個二級FIFO結(jié)果寄存器用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果。，基準(zhǔn)電壓(05V)由外部提供。 串行外設(shè)接口(SPI)是高速的同步串行I/O口，用于DSP與外部設(shè)備或其它控制器間同步數(shù)據(jù)通訊，支持125種不同的波特率，例如系統(tǒng)時鐘SYSCLK是10MHz，波特率的范圍是:。典型應(yīng)用包括外部I/O或外部擴(kuò)展。串行通訊接口(SCI)提供了通用全雙工的異步接收/發(fā)送(UART)通信模式，可與PC機(jī)串口、打印機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)器件通訊，可采用RS—232—C協(xié)議。通過一個16位波特率選擇寄存器可獲得超過65000種不同的可編程波特率，例如系統(tǒng)時鐘SYSCLK是10MHz，波特率的范圍是:。 看門狗(WD)定時器和實(shí)時中斷(RTI)模塊監(jiān)視軟件和硬件操作。如果軟件進(jìn)入一個不正確的循環(huán)或者CPU出現(xiàn)暫時性異常時，WD定時器溢出產(chǎn)生一個復(fù)位。RTI模塊提供可編程間隔的中斷，在CPU異常時實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)的控制軟件分兩大部分:主程序模塊和子程序、中斷服務(wù)模塊。主程序模塊管理整個軟件的流程，由它來負(fù)責(zé)調(diào)用各個子程序。子程序和中斷服務(wù)模塊負(fù)責(zé)完成對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的估算，開關(guān)量信息的捕捉，串行中斷程序、故障處理。由于是模塊化的編寫程序，所以應(yīng)在充分理解直接轉(zhuǎn)矩的控制原理與步驟的基礎(chǔ)上進(jìn)行程序的編寫。 直接轉(zhuǎn)矩控制的原理直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖13所示，它包括轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)和磁鏈控制環(huán)節(jié)，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(BangBang控制)，通過轉(zhuǎn)矩和磁鏈的滯環(huán)控制選擇出合適的電壓矢量來調(diào)節(jié)定子磁鏈，并通過控制定子磁鏈的前進(jìn)和停止來控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使之快速跟蹤給定，同時通過對定子磁鏈形狀的控制來選擇合適的開關(guān)狀態(tài)，從而產(chǎn)生PWM信號[23]。圖13 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在正交定子坐標(biāo)系中（α－β坐標(biāo)系）中，異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型基本方程為： 41 42以上兩式中，為定子電壓空間矢量