【文章內(nèi)容簡介】 /f 轉(zhuǎn)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(dāng)提高電壓 Us，以保持磁通量φ m 恒定，從而使電機的轉(zhuǎn)矩回升。 當(dāng)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(zhuǎn)速）的升高而成反比例的下降，即相當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速）用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定頻率以上（也即高于電機的額定轉(zhuǎn)速）用恒功率調(diào)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(diào)速一恒壓頻比控制 在進(jìn)行電機 調(diào)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(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)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(yīng)進(jìn)行適當(dāng)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(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。、 由 (22) 式可知，要保持Φ m恒定，當(dāng)頻率 f1 從額定值 f1n 向下調(diào)時，必須同時降低 Eg，使得 （ ） 然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難于直接控制，當(dāng)電動勢的值較高時，可以忽略定子壓降，而認(rèn)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(diào)速一弱磁升速 在基頻以上調(diào)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(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速，必須使電機磁通 低于額定磁通，這相當(dāng)于直流電機 的弱磁升速 （ SPWM）技術(shù) 電壓 SPWM 調(diào)制 電壓 SPWM 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，顧名思義就是指利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)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(diào)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(diào)制方法也叫三角波調(diào)制法，產(chǎn)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(diào)制波）通過比較器進(jìn)行比較，其交點時刻作為開關(guān)管的導(dǎo) 通和關(guān)閉時刻，當(dāng)調(diào)制波（正弦波）大于載波（三角波）時，逆變橋的開關(guān)管導(dǎo)通，反之，則關(guān)斷，逆變器就產(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)。 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(diào)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(guān)時刻。 移相式 SPWM 技術(shù) 在許多大功率、特大功率應(yīng)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(diào)速等場合。由于特大功率可關(guān)斷器件的開關(guān)頻率上限很低，而開關(guān)頻率較低的 SPWM 技術(shù)將產(chǎn)生大量低頻諧波，為此人們提出了一種新的 SPWM 技術(shù)，即將多重化技術(shù)和 SPWM技術(shù)結(jié)合起來，形成移相式 SPWM 技術(shù)，其基本思想是：在多重化為 Lx 的組合裝置中使用共同的調(diào)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(shù)中的波形生成方式和多重化技術(shù)中的波形疊加結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(guān)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(shù)為基礎(chǔ)的多重化結(jié)構(gòu)，可以直接引用許多改進(jìn)的 SPWM 方法。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充。在多重化電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)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(diào)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(shù)，它是利用計算機或?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、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(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(jié)構(gòu)，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(yīng)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(jié)構(gòu)的主要特點是： 哈佛結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)不同于馮 .諾伊曼結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。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(jìn)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(jīng)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(jié)構(gòu)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(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。 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(jìn)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(nèi)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(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。 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(jié)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(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。 DSP 芯片的高速發(fā)展，一方面得益于集成電路技術(shù)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(jīng)在信號處理、雷達(dá)、通信等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)用潛力。 DSP 芯片的應(yīng)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(chǎn)生等。 （ 2）通信 —— 調(diào)制解調(diào)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(dá)處理、導(dǎo)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(jìn)行研究。 TMS320LF2407A DSP 屬于 TI 公司 TMS320C2020 系列定點 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()。 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(shè)計，特別適合于三相異步電動機的高性能控制。它集 C2xx 內(nèi)核增強型 TMS320設(shè)計 結(jié)構(gòu)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(nèi)部采用增強型哈佛結(jié)構(gòu)，四級流水線作業(yè)，幾乎每條指令可在 33ns 完成，性價比高，構(gòu)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(shù)，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(dá) 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(yīng)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(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。 片內(nèi)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(chǎn)品的開發(fā)， Flash 的可編程密碼保護(hù)功能能夠使用戶的知識產(chǎn)權(quán)得到很好的維護(hù)。 提供外擴展 64K 字程序存儲器、 64K 字?jǐn)?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(diào)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(zhuǎn)換器，具有 可編程自動排序功能， 4個啟動 A/D 轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源，最快 A/D 轉(zhuǎn)換時間為 375ns。 控制器局域網(wǎng) 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(shù)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(biāo)準(zhǔn) 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(nèi)存儲 器、事件管理器模塊、片內(nèi)集成外圍設(shè)備。其體系結(jié)構(gòu)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(nèi)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(yīng)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(diào)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(zhuǎn)換器。 圖 31 TMS320LF2407A體系結(jié)構(gòu)框圖 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)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(gòu)成的逆變電路組成 。控制電路以 TI的 DSP 芯片 TMS320LF2407A 為核心，包括電流檢測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊、保護(hù)模塊、通信模塊和顯示模塊。構(gòu)成功能齊全