【導讀】通信、計算機等眾多領域,成為最熱門的技術之一。數(shù)字信號處理器——DSP的功能日?；到y(tǒng)各種不同的特殊運行要求。電動機調(diào)速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳。動發(fā)展的主要方向之一。均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求?？刂茊卧屯鈬O備集成到一塊芯片上。DSP最早是針對數(shù)字信號處理，特別是語音、由于這類信號處理的算法復雜，要求DSP必須具有強。大快速的運算能力。因此DSP采用了多組總線技術實現(xiàn)并行運行機制，從而極大的提。高了運算速度，也提供了非常靈活的指令系統(tǒng)。與哈佛結構相匹配，DSP芯片指令系統(tǒng)廣泛采用流水線操作以減少指令執(zhí)行時間，在一般形式的FIR濾波器和FFT變換中，乘法是其中的重要組成部分。在TMS320系列中，由于具有專用的硬件乘法器，乘法可在一條指令周期內(nèi)完成。與跟蹤，戰(zhàn)斗機上的目視瞄準器和步兵頭盔式微光儀，需DSP完成圖像的濾波與增強，TMS320F2407具有兩個16位通用定時器、8個16位的PWM通道、

　　

【正文】 兩個串聯(lián)反接的穩(wěn)壓器，起到限壓保護的作用。 保護電路 在逆變器的設計中，保護電路是順利實現(xiàn)調(diào)速的關鍵因素之一。沒有一套完整可靠的過流、過壓、欠壓、對地短路及缺相運行等故障的保護電路，逆變器就無法向電機提供高質量的驅動電源，實現(xiàn)安全運行。 （ 1） 直流側電流保護 直流側電流信號的檢測 : 電流檢測可以采用電流傳感器和霍爾電流傳感器 (LEM)[24]，從線性的角度和準確的角度 來講采用霍爾電流傳感器為好。其接線如圖 ?；魻杺鞲衅魇怯烧?15V供電， M端外接采樣電阻即得電流信號，原邊電流的方向和傳感器的 M端的輸出電壓的極性是對應的。 圖 霍爾電流傳感器 霍爾傳感器有如下特點： ① 傳感器的輸入和輸出間具有良好的電隔離性，其絕緣耐壓大于 3KV； ② 傳感器是個人閉環(huán)系統(tǒng)，可以不失真的傳遞自直流到 100KHz頻帶內(nèi)的任何波形的電流； ③ 因為是補償式測量，所以具有良好的精確度 (1%)和線性度 (≤ % 額定電流 )； ④ 傳感器磁 路幾乎是零磁通工作，動態(tài)變化又是快速補償，所以傳感器是無電感性器件。 15 VR 1+ 15 VI 1I 0邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 26 （ 2）過電流保護電路設計 直流回路過電流保護電路如圖 。 圖 過電流保護電路 其工作原理是 :霍爾元件所檢測到的電流信號經(jīng)由電阻變?yōu)殡妷盒盘柡碗娙莸臑V波，送到比較器 LM324的反向輸入端。在正常工作時，比較器正向輸入端的電壓高于反向輸入端的電壓，比較器的輸出為高電平。若直流側過流現(xiàn)象發(fā)生，則反向輸入端的電壓高于正向輸入端，所以比較器的輸出變?yōu)榈碗娖?，由于比較器的輸出接到TMS320F2407的外中斷口。 當產(chǎn)生中斷后，由 DSP進行處理，封鎖 IGBT的驅動信號。 （ 3）直流側過電壓和欠壓 直流側過電壓和欠壓保護電路如圖 ，圖中上半部分為欠壓保護電路，下半部分為過電壓保護。 直流側電壓保護工作原理和電流保護原理基本相同下面僅介紹它的特殊之處。 ① 直流側電壓信號是直接從主電路電位器上取得，所以比較器 N2A,N2C和電流保護電路中的是不共地 ，它們的地是主電路的主母線地； ② 為了把控制電路和主電路隔離，使用了光隔 ISOI； ③ 由于過壓和欠壓的一般持續(xù)較長的時間，所以無須信號保持和鎖定。 另外 ，保護電路 (包括電壓和電流保護 )動作后的輸出信號除了去 DSP的中斷外，還通過一個交流接觸器，去切斷主回路的電源。 控制電路 本設計所用控制電路的核心是 TMS320F2407，控制部分是調(diào)速系統(tǒng)的核心，控制算法和控制策略都是通過控制部分來實現(xiàn)的， TMS320F2407簡介 與 MCS51單片機產(chǎn)品兼容， 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器， 1000次擦寫周VCC234+A1R 2 11C 110 KR 1電流信號輸出信號邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 27 期， 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz，三級加密程序存儲器， 32個可編程 I/O口，線三個 16位定時器 /計數(shù)器，八個中斷源，全 雙工 UART串行通道低功耗空閑和掉電模式掉電后中斷可喚醒看門狗定時器雙數(shù)據(jù)指針掉電標識符。 功能特性描述： TMS320F2407是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 TMS320F2407為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 TMS320F2407具有以下標準功能： 8k字 節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器， 2個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， TMS320F2407 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 片內(nèi)波形發(fā)生器 WGA (Wavef ormg enerator)是 TMS320F2407獨具的特點之一。這一外設裝置大大簡化了用于產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制 (PWM)波形的控制軟件和外部硬件特別適合用于控制三相交流感應電動機，也可以用于控制直流電動機和其他需要多個PWM輸出的裝置。 TMS320F2407的波形發(fā)生器從功能上可分成三部分 :時基發(fā)生器、相位驅動通道和控制電路。時基發(fā)生器的作用是產(chǎn)生載波，相位驅動通道決定波的占空比，控制電路決定工作方式和控制中斷輸出。在邊沿脈寬調(diào)制輸出的工作方式下，波形發(fā)生器的最高頻率可達 。時基發(fā)生器產(chǎn)生波的載波頻率。該周期取決于WGesR ELOAD寄存器的值和操作方式。時基發(fā)生器的心是一個 16位雙向計數(shù)器WGCUNT，它的計數(shù)時鐘是振蕩器頻率的 1/2，可工作于 4種 不同的方式，產(chǎn)生中心對準或邊沿對準的波形。用戶程序可以在任何時候通過寫入重置寄存器的方法改變載波周期。相位驅動通道決定波的占空比。一般情況下，波的占空比是由控制寄存器 (WGON)、相位比較寄存器 (WG_COMPX) 和重裝載寄存器 (WG_RE LOAD)這三者決定的。死區(qū)時間 (Deadtime)發(fā)生器是用來防止一對互補的PWM波同時有效，保證功率器件的可靠工作。 10位的死區(qū)時間發(fā)生器 使程序能夠對死區(qū)時間進行設置，它和重置寄存器有相同的時鐘頻率。當檢測到一個有效的跳變信號時，在每個狀態(tài)周期計數(shù)減 1，直到減 到計數(shù)器停止并輸出跳變允許信號。由于本實驗所用的直流電動機導通方式是兩兩導通，上下橋臂的 IGBT導通時間相差一個邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 28 狀態(tài)周期，所以不存在同時導通的危險，也就是說不用設定死區(qū)時間?？刂齐娐凡糠职刂萍拇嫫?(WG CON)和輸出寄存器 (WG OUT)，控制寄存器負責允許或禁止計數(shù)器 1作，確定計數(shù)器的方向，控制工作方式，并為全部的三相信號輸出確定死區(qū)時間。輸出寄存器對管腳的輸出進行設置，確定輸出 極性 (高電平有效或低電平有效 )，以及控制對寄存器的立即改變還是由事件驅動同步進行數(shù)據(jù)更新。另外 ， WFG還有保護電路，它的功能是 :在軟件的控制下或在一次外部事件 (作用于 EXINT管腳上 )的作用下，同時禁止波形發(fā)生器的全部 6個輸出。這個外部事件還會產(chǎn)生一次 EXINT中斷。這個外部事件即可以是邊沿觸發(fā)的，也可以是電平觸發(fā)的，由軟件選擇。 在本系統(tǒng)中，它接保護電路的輸出。 改變重置寄存器 WG_RE LOAD和比較緩沖寄存器 WGOMPX的值將使載波的周期和信號的占空比發(fā)生變化。在邊沿對準方式中，載波周期 Tc的計算公 式為： ? ?2c te lW G LO A D sT F ???? （ ） 其中： WGLOAD — 16位值 ， Ftel — XTAL1管腳上的晶振頻率（ MHZ） 不考慮死區(qū)時間，輸出有效的時間 Toutput可用下式計算： ? ?2o u tp u t telW G LO A D sT F ???? （ ） 因此 ，改變 WG RELOAD的值不僅會改變 PWM的載波周期，而且也會改變PWM的占空比。只有在改變 WGESR ELOAD的同時，按比例地改變 WG一 OMP，才可能在改變載波周期的同時不改變占空比 [25]。 TMS320F2407的 P2口是一個雙向口，具有 CMOS斯密特觸發(fā)器輸入和 CMOS電平輸出。它可以實現(xiàn)兩種功能 :標準的 1/O口功能或與事件處理器陣列 EPA有關的特殊功能。實現(xiàn)何種功能靠有關的專用寄存器來選擇，且可以每個引腳獨立的選擇。這樣P2口的每個引腳都可以配置成下列 4種操作模式之一 : （ 1）作為受控于 EPA的特殊功能信號引腳； （ 2）作為標準的互補推挽式的輸出腳； （ 3）作為標準的漏極開路的輸出腳； （ 4）作為標準的高阻輸入腳。 控制電路 （ 1）鍵盤部分 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 29 本次所用的鍵盤是獨立式鍵盤，這種鍵盤有著結構簡單，反應速度快的優(yōu)點。鍵盤的輸出直接連接到 89C51的 。 K0是開始鍵， K1是加速鍵， K2是減速鍵， K3是停止鍵， K4是急加速鍵， K5是急減速鍵。電容的作用是為了減少外界干擾產(chǎn)生的錯誤信號。電阻為限流電阻。 圖 89C51的 鍵盤輸入部分 （ 2）顯示部分 為了減少軟件的開銷，在顯示中采用了顯示專用芯片 CD4543，其為靜態(tài)顯示方式，并且是上升沿進行信號鎖定。所用到的顯 示位數(shù)是四位。靜態(tài)顯示的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是耗電多，占用過多的系統(tǒng)硬件資源。 圖 顯示部分 5324167VC CD AT AA 345439101112131514543109782l 3l edvcc16ABCDEFGHABCDLDPHBIabcdefg121 1 1 1 12 2 2 2 2K 0 K 1 K 2 K 3 K 4 K 5LED顯示R 1 R2 R 3R 4 R 5 R6邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 30 3 軟件設計 初始化程序 初始化程序包括 DSP 和單片機各自的初始化程序，主要完成各自系統(tǒng)時鐘的設定、中斷向量的定義、 I/O 端口的初始化、控制寄存器的設置以及各功能模塊的初始化等。軟件主程序框圖如圖 所示 。 圖 軟件主程序框圖 首先初始化 DSP，配置所要用到的寄存器，定義并初始化變量，開啟捕獲中斷和A/D 中斷，其中 A/D 中斷是通 過定時器周期中斷來啟動的，設置周期為 40μs，也就是 40μs 啟動一次 A/D 中斷，讀取電流，進行電流環(huán)調(diào)節(jié)。配置完寄存器后，讀取啟動時刻的位置值，根據(jù)位置值來調(diào)用換相子程序。一旦啟動，主程序就進入了等待死循環(huán)。位置信號一旦發(fā)生變化，進入捕獲中斷子程序，讀取此刻的捕獲值和位置值，根據(jù)位置值進行換相導通，并計算兩次捕獲的時間差，用來進行速度計算。當周期中斷到來時，立刻啟動 A/D 中斷，在子程序中，首先判斷速度環(huán)計數(shù)器的值來決定是否進行速初 始 化 D S P寄 存 器初 始 化軟 件 變 量設 置 C A P 1 C A P 3為 I O 口 功 能判 斷 轉 子 位 置開 始恢 復 C A P 1 C A P 3 的 捕獲 功 能開 A D C 中 斷 和 捕 獲中 斷中 斷 服 務子 程 序是 否 中 斷Y N邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 31 度調(diào)節(jié)，設置速度環(huán)周期為 60ms(所以計數(shù)器的周期為 1500)。如果計數(shù)器小于 1500，則讀取電流值，只進行電流 PI 調(diào)節(jié)和限幅調(diào)節(jié)。如果計數(shù)器等于 1500，則首先利用單神經(jīng)元自適應 PDI 算法進行速度調(diào)節(jié)，然后再調(diào)節(jié)電流。 控制系統(tǒng)的軟件設計總體框圖 如 。 圖 控制系統(tǒng)的軟件設計 總體框圖 DSP 程序 DSP 程序是整個系統(tǒng)軟件的核心組成部分，主要負責電機的起動、電機的轉速和電流雙閉環(huán)控制的實現(xiàn)、系統(tǒng)的監(jiān)控和故障處理功能等。因此， DSP 程序包括起動子程序、電流和位置檢測中斷服務子程序、轉速控制子程序、電流控制子程序、 PWM 調(diào)制子程序，速度計算子 程序以及系統(tǒng)的監(jiān)測和故障處理模塊等。進行各種反饋信號的檢測是構成雙閉環(huán)控制的前提。位置信號、電流信號的檢測分別由位置檢測中斷服務程序和電流檢測中斷服務程序來實現(xiàn) ,轉速的檢測是通過軟件計算間接獲得的。電流采樣時間的選取對系統(tǒng)的性能有著重要的影響，本系統(tǒng)為實現(xiàn) 20kHz 的電流環(huán)，每 50μs 對電流采樣一次。此外，利用軟件對檢測的電流進行分時反饋處理，以使相反電勢和相電流的相位始終保持一致，轉速、電流控制子程序是實現(xiàn)永磁方波無刷直流電動機實時控制的關鍵所在。為提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，本系統(tǒng)轉速環(huán)采用 PI 控制算 法、系 統(tǒng) 上 電初 始 化 程 序啟 動 程 序