【文章內容簡介】 /f 轉矩補償法，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，而采用適當提高電壓 Us，以保持磁通量φ m 恒定，從而使電機的轉矩回升。 當供電電源的頻率增加到額定頻率 fsN 以上時，但是電源電壓 Us不能繼續(xù)上升，只能維持在額定值 UsN 處，這就使得磁通量φ m將隨著頻率 fs（或轉速）的升高而成反比例的下降，即相當于直流電機的弱磁升速的狀態(tài)。磁通量的下降會使電機轉矩下降，直接造成電機的機械特性變軟，為此，一般都是在額定頻率fsN 以下（也即低于電機的額定轉速）用恒轉矩調速，在額定頻率以上（也即高于電機的額定轉速）用恒功率調速。具體 U/f 曲線的選擇參見圖 23 所示。 圖 23 通用變頻器的 U/f 曲線 基頻以下調速一恒壓頻比控制 在進行電機 調速時，通常要考慮的一個重要因素是希望保持電機中每極磁通量為額定值，并保持不變。因為如果磁通太弱，沒有充分利用電機鐵心，這是一種浪費 。如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會使繞組因過熱而損壞電機。對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應進行適當補償，保持磁通恒定是很容易做到的。而在異步電動機中，磁通是定子和轉子磁動勢合成的，故要達到磁通恒定的目的就困難得多。、 由 (22) 式可知，要保持Φ m恒定，當頻率 f1 從額定值 f1n 向下調時，必須同時降低 Eg，使得 （ ） 然而，繞組中的感應電動勢是難于直接控制，當電動勢的值較高時，可以忽略定子壓降，而認為定子相電壓 U1≈ Eg，于是有 （ ） 這就是所謂恒壓頻比控制方式。 基頻以上調速一弱磁升速 在基頻以上調速時，頻率可以從 f1n 向上增大，但由于電機絕緣上的原因，電壓 UI 一般不能超過額定電壓 U1N，最多只能保持 UI=U1N，而由式 2 一 3 可知， 要使電機轉速大于額定轉速，必須使電機磁通 低于額定磁通，這相當于直流電機 的弱磁升速 （ SPWM）技術 電壓 SPWM 調制 電壓 SPWM 脈沖寬度調制技術，顧名思義就是指利用全控型電力電子器件的導通和關斷把直流電壓變成電壓正弦波的輸出，實現(xiàn)變壓、變頻控制并且可以較好的消除諧波。 SPWM(正弦脈寬調制波 )是將正弦波變成寬度漸變的脈沖波，其中的脈沖波的寬度變化規(guī)律完全符合正弦的變化規(guī)律。正弦脈寬調制方法也叫三角波調制法，產生原理是采用一組等腰三角形波信號（載波）與正弦波信號（調制波）通過比較器進行比較，其交點時刻作為開關管的導 通和關閉時刻，當調制波（正弦波）大于載波（三角波）時，逆變橋的開關管導通，反之，則關斷，逆變器就產生一組等幅不等寬的脈沖序列。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，從而改變電機的轉速；改變正弦波的幅值，它與三角波的交點發(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。 圖 23 SPWM 波的生成方法 SPWM 技術的發(fā)展 近幾年，人們對 SPWM 逆變器的控制模式研究有很多，提出了許多比較實用的 SPWM 技術。 指定諧波消除法 在指定諧波消除法中，逆變器的輸出電壓仍是一組等幅不等寬的脈沖波，而且是半個周期對稱的。但它們并非是由三角載波與正弦調制波的交點形成，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時刻。 移相式 SPWM 技術 在許多大功率、特大功率應用場合，如高壓直流輸電（ HVDC），靜止無功補償（ SVC），大功率交流電機調速等場合。由于特大功率可關斷器件的開關頻率上限很低，而開關頻率較低的 SPWM 技術將產生大量低頻諧波，為此人們提出了一種新的 SPWM 技術，即將多重化技術和 SPWM技術結合起來，形成移相式 SPWM 技術，其基本思想是：在多重化為 Lx 的組合裝置中使用共同的調制波，并將各裝置中的三角載波（頻率為 fC）相位相互錯開 2π /(LxfC)角度，利用 SPWM 技術中的波形生成方式和多重化技術中的波形疊加結構產生移相式 SPWM 波形。雖然每臺變流器載波頻率很低，但整個組合變流器輸出等效于開關頻率很高或者說載波頻率很高的 SPWM 變流器。由于移相式 SPWM 多重化是以自然采樣 SPWM 技術為基礎的多重化結構，可以直接引用許多改進的 SPWM 方法。它保持了原技術中優(yōu)異的控制性能，使傳統(tǒng)多重化結構的單 調控制方式得到極大地擴充。在多重化電流型變頻調速系統(tǒng)應用中，各單元發(fā)出的基波同幅、同相，可以共用整流裝置，疊加后的波形中完全抵消了低次諧波，極大地改善了電機的工作條件。 3 TMS320LF2407A 與調試環(huán)境簡介 DSP 概述 通用 DSP 特點 DSP（ Digital Signal Processing）也稱數(shù)字信號處理技術，它是利用計算機或專用處理設備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。 DSP 是一種具有特殊結構的微處理器，其內部集成高速乘法器，具有多組內部總線，能夠進行快速乘法和加法運算，適用于高速數(shù)字信號處理的高速、高位單片機，它具有獨特的軟硬件結構，體積小、功耗低、使用方便、處理實時迅速、處理數(shù)據(jù)量大、精度高、性價比高等顯著優(yōu)點，主要應用在實時快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理的各種算法。目前中國市場上 TI 公司 DSP 芯片占有率在 50％以上，也是我們比較熟悉 DSP芯片之一，其硬件結構的主要特點是： 哈佛結構 哈佛結構不同于馮 .諾伊曼結構，它是采用程序、數(shù)據(jù)總線分別獨立并具有多條總線的結構。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，用獨立的程序總線、數(shù)據(jù)總線或者多條總線分別進行訪問。 流水線操作 計算機在執(zhí)行一條指令的時候，總要經過取指、譯碼、訪問操作數(shù)、執(zhí)行等幾個步驟，需要若干個機器周期才能完成。 DSP 的流水線結構是指它的這幾個階段在執(zhí)行過程中是重疊的。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，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。 專用的硬件乘法器 在 DSP 備有硬件連線邏輯的高速“與或”運算器 （乘法器和累加器），取兩個操作數(shù)到乘法器中進行乘法運算，并將乘積加到累加器中，這些操作都可以在單個周期內完成。 特殊的指令 在 DSP 的指令系統(tǒng)中，有許多指令是多功能指令，即一條指令可以完成幾種不同的操作，或者說一條指令具有幾條指令的功能。 快速的指令周期 哈佛結構、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)化設計，可使 DSP 芯片的指令周期達到 200ns 以下， TMS320 系列處理器的指令周期已經從第一代的 200ns 降到現(xiàn)在 20ns 以下。 DSP 以運算速度快為特征，而單片機以數(shù)字控 制功能強為特點。對電動機的數(shù)字控制既要求控制器有強大的 I/O 控制功能，又要求控制器有高速的信號處理能力以實現(xiàn)實時控制。將 DSP 的高速運算速度與單片機的高控制能力相結合，開發(fā)出了電動機控制的專用集成芯片 C24x 系列 DSP。這種 DSP 還集成了電動機控制所必需的可增加死區(qū)且靈活多變的多路 PWM 信號發(fā)生器、高速高精度的 ADC、以及用于電動機速度和位置反饋的編碼器接口電路。 DSP 芯片的應用 DSP 芯片自 20 世紀 70年代末誕生以來，得到了飛速的發(fā)展。 DSP 芯片的高速發(fā)展，一方面得益于集成電路技術的發(fā)展；另 一方面得益于巨大的市場。在近20年時間里， DSP 芯片已經在信號處理、雷達、通信等許多領域得到了廣泛的應用。目前， DSP 芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應用潛力。 DSP 芯片的應用主要有： （ 1）信號處理 —— 如數(shù)字濾波、快速傅立葉變換、模式匹配、波形產生等。 （ 2）通信 —— 調制解調器、糾錯編碼等。 （ 3）語音 —— 語音編碼、語音合成等。 （ 4）圖形 /圖像 —— 二維三維圖形處理、圖像壓縮等。 （ 5）儀器 /儀表 —— 雷達處理、導航等。 （ 6）自動控制 —— 聲控、機器人控制等。 TMS320LF2407A 簡介 TMS320LF2407A 芯片介紹 本文以 TI 公司最新推出的電機控制專用 TMS320LF2407A DSP 芯片為控制核心進行研究。 TMS320LF2407A DSP 屬于 TI 公司 TMS320C2020 系列定點 DSP 中的C24xx 產品系列，其中“ LF”代表片內 Flash EPROM()，“ LC”代表低電壓CMOS()。 TMS320LF2407A DSP 專門為電機控制與運動控制數(shù)字化優(yōu)化實現(xiàn)而設計，特別適合于三相異步電動機的高性能控制。它集 C2xx 內核增強型 TMS320設計 結構及適用于電機控制的低功耗、高性能、優(yōu)化外圍電路于一體， CPU 內部采用增強型哈佛結構，四級流水線作業(yè)，幾乎每條指令可在 33ns 完成，性價比高，構成控制系統(tǒng)的體積大大減小。 TMS320LF2407A DSP 特點 采用高性能靜態(tài) CMOS 制造技術，該 DSP 具有功耗低和速度快的特點： 33ns單指令周期 (30MHz)，最短為 25ns（ 40MHz）；運算速度為 30MIPS，最快運算速度可達 40MIPS；工作電壓在 ，有 4 種低功耗工作方式，四級指令執(zhí)行流水線。由于 2407DSP 工作在低功耗模式下 ，有利于電池供電的應用場合，其高速度非常適合電動機的實時控制。 采用了基于 TMS320C24x DSP CPU 的內核，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。 片內集成了 32K 字 16bit 的 Flash EEPROM 程序存儲器， 字 16bit 的數(shù)據(jù) /程序 RAM，包括 2K 字的單口 SARAM(SingleAccess RAM)和 544 字的雙口DARAM(DualAccess RAM)。因而該芯片可用于產品的開發(fā)， Flash 的可編程密碼保護功能能夠使用戶的知識產權得到很好的維護。 提供外擴展 64K 字程序存儲器、 64K 字數(shù)據(jù)存儲器、 64K 字 I/O 的能力。 兩個專用電機控制的事件管理器 (EV)，每一個都包含： 2 個 16 位的通用定時器， 8 個 16 位脈寬調制 (PWM)輸出通道， 1 個能夠快速封鎖輸出通道的外部引腳PDPINTx(其狀態(tài)可由 COMCONx 寄存器獲得 )，可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)控制功能， 3 個捕獲單元， 1個增量式光電位置編碼器接口。 可編程看門狗（ WDT）定時器，保證程序運行的安全性。 16 通道 10 位 A/D 轉換器，具有 可編程自動排序功能， 4個啟動 A/D 轉換的觸發(fā)源，最快 A/D 轉換時間為 375ns。 控制器局域網 CAN（ Controller Area Network） 模塊。 串口接口 SPI和 SCI 模塊。 基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器 (PLL)。 1 41 個通用 I/O 引腳。 1 32 位累加器和 32 位中央算術邏輯單元 (CALU)， 16 位 16 位并行乘法器，可實現(xiàn)單指令周期的乘法運算， 5個外部中斷。 1 IEEE 標準 JTAG 仿真接口。 1很寬的工作溫度范圍，普通級：－ 40～ 85℃ ；特殊級：－ 40～ 125℃。TMS320LF2407 系統(tǒng)組成包括： 40MHz， 40MIPS 的低電壓 的 CPU、片內存儲 器、事件管理器模塊、片內集成外圍設備。其體系結構框圖如圖 31 所示。 TMS320LF2407A 事件管理器 作為電機專用芯片， TMS320LF2407A 最大的特色是內置了功能強大的事件管理器（ Event Manager），該模塊提供了一套用于運動控制和電機控制應用的功能和特性。每個TMS320LF2407A 芯片都具有兩個事件管理器模塊 EVA 和 EVB。每個事件管理器模塊包括以下功能模塊： 兩個通用定時器（ GP timer）； 三個全比較單元（ Full pare units）； 8 個 16 位的脈寬調制（ PWM）通道； 可編程的 PWM 死區(qū)控制單元； 三個捕獲單元（ Capture units）； 正交編碼器脈沖電路（ QEP circuit）； 通道 A/D 轉換器。 圖 31 TMS320LF2407A體系結構框圖 4 系統(tǒng)的硬件設計及其實現(xiàn) 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 電路主要由整流電路、濾波電路及智能功率模塊 IPM構成的逆變電路組成 ?？刂齐娐芬?TI的 DSP 芯片 TMS320LF2407A 為核心，包括電流檢測模塊、轉速檢測模塊、保護模塊、通信模塊和顯示模塊。構成功能齊全