【導(dǎo)讀】工作所取得的研究成果。設(shè)計(jì)中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料，均已。經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已。在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán)華東交通大學(xué)理工學(xué)院可以將本設(shè)計(jì)的全部或部分內(nèi)容。逐漸取代了直流調(diào)速被廣泛運(yùn)用，成為交流調(diào)速的發(fā)展方向。本文主要介紹了一種以DSP芯片為核心的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)有硬件和軟件。主電路用了先進(jìn)的智能功率。模塊；控制電路采用TI公司的TMS320LF2407DSP芯片作為控制芯片。直接轉(zhuǎn)矩控制原理、并利用TMS320LF2407芯片構(gòu)成了控制系統(tǒng)。保的要求，提高了能量利用率。

　　

【正文】 M控制 信號(hào)， 然后 控制信號(hào)通過 光耦隔離 電路 傳給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路再對(duì) 逆變橋 IPM 的導(dǎo)通與關(guān)斷 進(jìn)行控制 。控制系統(tǒng) 采 用 IPM 故障檢測(cè)電路，當(dāng)系統(tǒng) 有 過流、過壓 和 短路等 故障時(shí) ， 系統(tǒng)就 封鎖 PWM 的信號(hào) 輸出，關(guān)斷主電路 ，使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn) 。 我們?yōu)榱藢?duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了對(duì)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速檢測(cè)的電路。 同時(shí)在顯示屏上會(huì)顯示相應(yīng)的頻率和轉(zhuǎn)速等信息 。 I P MMD S P 控 制 系 統(tǒng)電 流 檢 測(cè)速 度 檢 測(cè)故 障 反 饋驅(qū) 動(dòng) 電 路頻 率 給 定顯 示 和 鍵 盤UVWCC 1C 2RA C 2 2 VR 3R 1R 2母 線 電 壓 檢 測(cè)光 耦 隔 離 圖 41 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 框 圖 如圖 41可知 ，本系統(tǒng) 由變頻主電路、保護(hù) 電路、 控制電路 、 光耦隔離電路 、顯示和鍵盤 等 部分組成。 21 主電路設(shè)計(jì) 圖 42為變頻主電路 ，由圖可見 主電路部分由整流、濾波 、逆變 這三部分 構(gòu)成 。 主電路通過整流模塊把單相交流電 整流為 直流 電 ，整流后的脈動(dòng)直流電 再經(jīng)過大電容 濾波 后 ，然后 IPM 逆變電路再將該直流電 進(jìn)行斬波， 從而得到了電壓， 頻率 都可以調(diào)節(jié) 的三相交流電，提供給電機(jī)。 V 5V 3V 1V 2 V 4 V 6J K1UV WA C 2 2 0 V 圖 42 變頻主電路 整流電路 本系統(tǒng)用到的 整流 模塊 是單相不可控整流橋， 是由 4個(gè) 同型號(hào)的 整流二極管組成的。它將輸入的單相交流電整流成單相直流電。整流電路根據(jù)變頻器輸出功率大小可以分為，單相全波整流橋 和 三相橋式全波整流電路。 單相的是小功率模塊，其 電源多用 220V 電源；三相橋式的是大功率模塊 ， 其 一般用 三相 380V 電源 。 濾波電路 輸入的交流電源通過整流電路后 ，其 輸出電壓是脈動(dòng)的， 同時(shí)在逆變部分負(fù)載的變化和脈動(dòng)電流也會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)電壓。 所以 ， 我們就在整流電路后加上 了 一個(gè)低通濾波電路， 讓其 除掉整流后的 交流成分 ，使輸出的電流是平滑的直流電。 本系統(tǒng)采 用的 是運(yùn)用廣泛的 電容濾波電路，就是在輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓，頻率越高， 容抗 越小，分流越大， 這樣大部分的 諧波 就會(huì)被濾除 ，輸出電壓的平均值 也 就 會(huì) 越大。濾波電容除了 能使電流平滑外 ，還 可以起到去耦作用，消除整流電路和濾波電路間的相互干擾，這就給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提 供 了 必要的無功功率。因而，中間直流電路 我們一般用 電容量必須較大 電容器 ，它起到儲(chǔ)存能量的 作用，所以 我們把 中間直流電路所用到的電容器稱作 儲(chǔ)能電容器。 22 逆變電路 本 逆變電路 中 所用的 功率 器件 是以絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)為核心的智能功率模塊IPM 。 IGBT 是 一種新型的復(fù)合型電力電子器件，它兼具 了 MOSFET 和 GTR 的優(yōu)點(diǎn)。 IGBT具有耐壓高、電流大、導(dǎo)通電阻小、開關(guān)頻率高和控制功率小等特點(diǎn)。 IGBT 通常用于高速、低功耗的場(chǎng)合，例如，電機(jī)的控制和 開關(guān)電源等。 如圖 43 所示， IPM 內(nèi)部結(jié)構(gòu)集成了， 驅(qū)動(dòng)電路 、 各種 保護(hù)電路、 大功率開關(guān)器件和 檢測(cè)電路等， 市場(chǎng)上常用的 IPM 一般 都用 IGBT 作為 其 功率開關(guān)器件。 欠 壓保 護(hù)驅(qū) 動(dòng)I G B T過 流保 護(hù)短 路保 護(hù)溫 度 傳 感 器過 熱保 護(hù)?UiU?FCEG N DI主端子控制端子 圖 43 IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu) IPM 以其優(yōu)越的性能被廣泛的運(yùn)用 于多個(gè)領(lǐng)域，其 有以下特點(diǎn) ： 1）開關(guān)速度快，功耗低： IPM內(nèi)部 IGBT 功率器件 是高速型的， 驅(qū)動(dòng)延時(shí)小， 且其 導(dǎo)通壓降低。 2） 驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù) ： 采用柵極驅(qū)動(dòng)，實(shí)行 自動(dòng)檢測(cè) 監(jiān)控保護(hù) 驅(qū)動(dòng)電源 ，防止欠電壓等故障發(fā)生。 3） 保護(hù)功能 強(qiáng)大 ： 當(dāng)電路中出現(xiàn)過流、過熱和短路等故障時(shí)，相應(yīng)的保護(hù)電路就工作 ， 這時(shí) IGBT 的門極驅(qū)動(dòng)電路就會(huì)立即被 關(guān)閉， 以此 同時(shí) 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)給 DSP 進(jìn)行相應(yīng) 的 處理。 4）抗干擾能力強(qiáng) ： 帶 RC信號(hào)干擾抑制和電源干擾抑制。 5）體積小 ： 各種電路模塊集成，減少了元器件數(shù)目。 23 控制電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)控制電路 ， 主要由以 TMS320LF2407 為核心的 DSP 最小系統(tǒng)和其他外圍部分組成 。 TMS320 系列 DSP 專門用于 實(shí)時(shí)信號(hào) 的 處理，其中 TMS320LF2407 系列 ，其特點(diǎn) 如下 : 1） 采用系能很高的靜態(tài) CMOS 技術(shù)，供電電壓低 ,降低了功耗； 執(zhí)行速度快，提高了控制能力。 2） 兼容性好、存儲(chǔ)空 間大。 3）事件管理模塊中含有定時(shí)器和 PWM 通道，可進(jìn)行三相反相器控制， PWM 死區(qū)控制和快速 PWM通道關(guān)閉。 4）外部存儲(chǔ)空間可擴(kuò)展。 5） 含有 看門狗定時(shí)器 ，控制器局域網(wǎng)絡(luò)，串行通信接口和 16 位串行外設(shè)接口等模塊 6) 10位 A/D 轉(zhuǎn)換器和基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器 7) 含有多個(gè)能獨(dú)立編程或者復(fù)用的 I/O 引腳 和 5 個(gè)外部中斷 . 8) 低功耗的電源管理模式。 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) DSP 最小系統(tǒng)就是沒有輸入和輸出通道， 也不與其它系統(tǒng)進(jìn)行通信的 DSP 系統(tǒng)。 DSP硬件設(shè)計(jì)中 最基本且 最重要的一步 ，就是 DSP 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 。它主要由電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和仿真接頭 等 部分組成 ,如 下 圖所示。 D S P 芯 片T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7程 序數(shù) 據(jù)E E P R O M電 源 監(jiān) 控時(shí) 鐘復(fù) 位J T A G 接 口電 平 變 換 圖 44 DSP最小系統(tǒng)框圖 DSP 外圍接口電路設(shè)計(jì) 串行接口電路如圖 45。 構(gòu)成串行接口的 MAX232 是含有電壓生成器的雙路驅(qū)動(dòng)接收 24 器，可進(jìn)行電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換 。然后再通過接收器和發(fā)送器實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)的通信。 1 234567891 01 11 21 31 41 5 1 6V C CM A X 2 3 2C 1 1C 1 21 0 4C 1 3C 9C 1 0S C T T X DC O N S C I R X D 2V C CV C CC 1 C 1 +C 2 C 2 +V V +1 5 1 i n 1 C i n1 C o u t2 C o u t2 C i n1 i nG N D2 5 1 o u t1 5 1 o u t162738495R S 2 3 2R S 2 3 2 圖 45串口電 路圖 2. CAN 總線接口 CAN 總線接口電路如圖 46 所示。 UC5350 是具有 不同的發(fā)送能力和 接收能力的 CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口。它 和 IS011898 完全兼容，并具有短路保護(hù)功能 。 1234C O N 4V C CC A N R XU OU EU C 5 3 5 0V C CR 7 T X NG N DV C CR X DR SC A N HC A N LV R E F56784321C A N T XS N 7 4 A L S 0 4 B S N 7 4 A L S 0 4 B1 0 0R 41 2 0 圖 46 CAN總線接口電路 系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)保護(hù)模塊中，雖然已有了過流和過熱等保護(hù)，但是為了更好的保護(hù) IGBT 管和增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，我們還設(shè)計(jì)了一套防止各種故障發(fā)生的的保護(hù)環(huán)節(jié) 。 當(dāng)有過壓、欠壓和限流等保護(hù)電路中任 何保護(hù)電路開始工作時(shí)，其所得信號(hào)傳遞給DSP 做出處理，從而封鎖 PWM 的輸出和停止電機(jī)工作，如圖 47 所示。 25 RRRRRRGN DGN DGN DGN D12V12V12V12V12V 47系統(tǒng)保護(hù)電路 由于 IGBT 集射極耐壓和承壓水平有限，且我國(guó)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，這就容易使得電流回路出現(xiàn)過壓或者欠壓的情況，所以 就設(shè)計(jì) 了電壓過壓和欠壓的保護(hù)電路，如圖 48 所示。 OV / UVW 1W 2C 1C 25 V5 VR 5R 6C 3PC 817 ATL 084TL 084+ 15 V 15 V 15 V+ 15 VPNR 1R 2R 3R 4R 5 圖 48 電壓檢測(cè)及過壓欠壓保護(hù)電路 其它電路設(shè)計(jì) 光耦隔離電路 設(shè)計(jì)中用到的 TLP559 光電耦合器，采用發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)方式，且其 du/dt 值小，因此 在其 陰極接限流電阻 進(jìn)行驅(qū)動(dòng) ，同時(shí)讓光耦與 IPM 控制端子間的布線 和 阻抗 都最小。 如 26 圖 49為光耦隔離電路。 GN DinUccV F?10 F?1 2+ 1 5 49 光耦隔離電路 速度反饋 電路 為了構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)用到了轉(zhuǎn)速編碼器對(duì)電機(jī)測(cè)速。轉(zhuǎn)速編碼器有增量型和絕對(duì)型兩種。增量型特點(diǎn)是，通過計(jì)算判斷旋轉(zhuǎn)的方式，當(dāng)旋轉(zhuǎn)停止時(shí)不會(huì)輸出旋轉(zhuǎn)角脈沖，是一種價(jià)格便宜的測(cè)速器。絕對(duì)型特點(diǎn)是，判斷旋轉(zhuǎn)位置時(shí)不需計(jì)算，無論是否旋 轉(zhuǎn)都會(huì)輸出旋轉(zhuǎn)角脈沖，抗干擾能力強(qiáng)，但是價(jià)格昂貴。 在選擇時(shí)，一般要考慮成本、使用壽命、軸負(fù)荷和使用環(huán)境等因素 。 27 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是通過 TMS320LF2407的軟件部分來實(shí)現(xiàn)控制的 ，包括 SPWM信號(hào)的產(chǎn)生與 處理，參數(shù)設(shè)定和人機(jī)界面通信 等模塊 。 該系統(tǒng)采用 SPWM 控制，所以程序 主要由主程序 和 SPWM控制程序兩大塊。 主程序 ， 對(duì) DSP 系統(tǒng)進(jìn)行初始化 后 ， 不停地處理反饋信號(hào)，調(diào)用系統(tǒng)中的子程序進(jìn)行控制，例如控制 SPWM 的信號(hào)輸出等，使系統(tǒng)有條不紊的運(yùn)行。 SPWM 控制程序， 采集 頻率 信號(hào) ，計(jì)算調(diào)制系數(shù) K，然后設(shè)置存儲(chǔ)器參數(shù) ，根據(jù)系統(tǒng) 相關(guān)的計(jì)算控制 SPWM 波的輸出。 D S P 系 統(tǒng) 初 始 化主 程 序 開 始調(diào) 用 鍵 盤 掃 描 程 序S P W M直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制S P W M 調(diào) 試 子 程 序 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 程 序停 止 按 鈕 按 下 停 止 按 鈕 按 下是否是否否否 圖 51 主程序框圖 28 開始禁止中斷DSP參數(shù)初始化允許定時(shí)器T1下溢中斷讀取給定頻率，計(jì)算調(diào)制系數(shù)K設(shè)置初始頻率為0,FREQ_TEMP=0寄存器參數(shù)設(shè)置開始中斷啟動(dòng)定時(shí)器T1計(jì)數(shù)=0讀頻率給定值，補(bǔ)償值FREQ_TEMP=FREQUENT計(jì)算調(diào)制系數(shù)K請(qǐng)用FREQ_STEP過程返回禁止波形輸出是否是否 圖 52 SPWM控制程序 29 總 結(jié) 本文在 熟練掌握 了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理，以及 變頻調(diào)速的原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以 DSP 為處理的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。 系統(tǒng)采用智能功率模塊 IPM，通過 SPWM 控制 和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，其中硬件設(shè)計(jì)包括變頻主電路、控制電路、保護(hù)電路和屏顯等硬件部分設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括主程序和中斷程序等軟件部分設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制， 具有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 調(diào)試方便，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)相比，成本低，節(jié)能，性能良好，經(jīng)濟(jì)效益高。 這種系統(tǒng)以其優(yōu)秀性能將會(huì)被 廣泛的應(yīng)用