【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。輸入部分為雙路PWM及對(duì)應(yīng)控制電源信號(hào)，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(shí)，上下兩管信號(hào)互鎖，用戶可以設(shè)置死區(qū)時(shí)間，確保不直通。無死區(qū)全橋模式應(yīng)用時(shí)，上下兩管可以同時(shí)導(dǎo)通，因此可用于電流型全橋電路的驅(qū)動(dòng)。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(dòng)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(shí)，可與之使用同一電源。驅(qū)動(dòng)單元輸出四路隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)IGBT，同時(shí)對(duì)IGBT起保護(hù)作用。當(dāng)IGBT的電流過大，集電極對(duì)發(fā)射極的電壓達(dá)到閾值電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)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(hào)時(shí)間大于設(shè)定的盲區(qū)時(shí)間時(shí)，開始軟關(guān)斷。軟關(guān)斷開始后，驅(qū)動(dòng)器封鎖輸入PWM信號(hào)，即使PWM信號(hào)變成低電平，也不會(huì)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(dòng)板經(jīng)光耦隔離輸出互補(bǔ)的故障報(bào)警信號(hào)，由主控板處理。IGBT的短路保護(hù)動(dòng)作閾值、保護(hù)盲區(qū)時(shí)間、軟關(guān)斷時(shí)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(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖圖10 應(yīng)用連接圖 控制回路設(shè)計(jì)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(hào)檢測(cè)、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(hào)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(hào)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(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮識(shí)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(gè)典型的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框圖。圖11 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框圖圖11中，輸入信號(hào)可以是語(yǔ)音信號(hào)、傳真信號(hào)，也可以是視頻信號(hào)，還可以是傳感器（如溫度傳感器）的輸出信號(hào)。輸入信號(hào)經(jīng)過帶限濾波后，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少是輸入帶限信號(hào)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(hào)處理一般是用DSP芯片和在其上運(yùn)行的實(shí)時(shí)處理軟件對(duì)輸入數(shù)字信號(hào)按照一定的算法進(jìn)行處理，然后將處理后的信號(hào)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(hào)[18]。DSP是指用于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)（如光和聲），將它們轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，實(shí)時(shí)地對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字技術(shù)處理。這種實(shí)時(shí)能力使DSP在聲音處理、圖像處理等不允許時(shí)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(shí)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(hào)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(shí)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(shí)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(yǔ)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(chǔ)容量都得到了成倍的提高，成為語(yǔ)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(jì)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(jì)算機(jī)領(lǐng)域大顯身手，而且逐漸滲透生活的各個(gè)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(duì)DSP爆炸性需求的時(shí)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(chǎng)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(gè)領(lǐng)域，常見的典型應(yīng)用如下： 通用數(shù)字信號(hào)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(yǔ)音識(shí)別與處理：語(yǔ)音識(shí)別、合成、矢量編碼、語(yǔ)音鑒別和語(yǔ)音信箱等。 圖紙/圖像處理：二維/三維圖形變換處理、模式識(shí)別、圖像鑒別、圖像增強(qiáng)、動(dòng)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(cè)與處理等。 自動(dòng)控制：磁盤/光盤伺服控制、機(jī)器人控制、發(fā)動(dòng)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(cuò)/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(jì)算機(jī)：陣列處理器、圖形加速器、工作站和多媒體計(jì)算機(jī)等。 軍事：雷達(dá)與聲納信號(hào)處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制造、保密通信、全球定位、電子對(duì)抗、情報(bào)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(guó)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(hào)處理器(DSP)的新型DSP控制器系列的首批成員。它集DSP的信號(hào)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(jì)提供了一個(gè)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(shí)控制能力。低功耗有利于電池供電場(chǎng)合；而高速非常適合電機(jī)的實(shí)時(shí)控制； 片內(nèi)集成了32K字的Flash程序存儲(chǔ)器、2K字的SRAM、544字的DRAM； 兩個(gè)專用于電機(jī)控制的事件管理器（EVA、EVB）。每個(gè)事件管理器都包括：2個(gè)16位通用定時(shí)器，8個(gè)16位脈寬調(diào)制PWM通道，1個(gè)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(gè)捕捉單元，1個(gè)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(dòng)機(jī)、直流無刷電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)； 提供外擴(kuò)展64K字的程序存儲(chǔ)器、64K字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、64K字的I/O能力； 片內(nèi)看門狗電路，實(shí)時(shí)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(gè)啟動(dòng)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(gè)外部中斷。 圖12 TMS320F2407DSP結(jié)構(gòu)框圖[21] TMS320LF2407A DSP有兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，每個(gè)事件管理器都有兩個(gè)定時(shí)器、三個(gè)比較單元、三個(gè)捕捉單元、一個(gè)增量式光電編碼器接口。事件管理器這個(gè)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(gè)可編程的死區(qū)單元和一個(gè)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(gè)獨(dú)立的雙向定時(shí)器，每一個(gè)都有單獨(dú)的比較寄存器，可支持不對(duì)稱的或?qū)ΨQ的PWM波形。四個(gè)捕獲輸入中的兩個(gè)可直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖信號(hào)[22]。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包含兩個(gè)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(gè)模擬輸入通道，其中每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器有8個(gè)輸入通道，并且TMS320F2407A有兩個(gè)二級(jí)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(shí)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(gè)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(shí)鐘SYSCLK是10MHz，波特率的范圍是:。 看門狗(WD)定時(shí)器和實(shí)時(shí)中斷(RTI)模塊監(jiān)視軟件和硬件操作。如果軟件進(jìn)入一個(gè)不正確的循環(huán)或者CPU出現(xiàn)暫時(shí)性異常時(shí)，WD定時(shí)器溢出產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位。RTI模塊提供可編程間隔的中斷，在CPU異常時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(gè)軟件的流程，由它來負(fù)責(zé)調(diào)用各個(gè)子程序。子程序和中斷服務(wù)模塊負(fù)責(zé)完成對(duì)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(shí)通過對(duì)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(hào)[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(dòng)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