【導(dǎo)讀】機控制理論的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)取得了巨大的技術(shù)進步。同時，它能提高電機的工作效率，改善電機的工作性能以及減小工。本文介紹了基于DSP的異步電機交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)。本文給出了變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方案該變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路包括主電。路和功率電路等?？刂葡到y(tǒng)的軟件部分，以TMS320LF2407ADSP為核心設(shè)計了感。噪音小，不失為一套具有先進型、新穎性、實用性的控制系統(tǒng)。電動機按照供電電源的不同，分為直流電動機和交流電動機。這兩種電動機作為動力源的傳動系統(tǒng)，先后于19世紀(jì)晚期誕生。實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上時，只要保持電樞電壓恒定，這相對于交流電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控。制而言無疑是非常簡單易行的。的交流電動機卻只能在定轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)中才可以得到應(yīng)用。在此期間，雖然交流。工格局才被打破。同時由于直流電動本身結(jié)構(gòu)上存在換向器和電刷這一致命弱。了電機的轉(zhuǎn)速和功率，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)中某些特定場合下的工作要求；

　　

【正文】 關(guān)系。本文中選用的 LCD 分辨率為 320 240 點陣，液晶內(nèi)置控制器為SED1335，它是一款既能進行圖形顯示和漢字顯示控制的液晶控制器，內(nèi)部集成了西文字符，顯示的點陣為 5 7，可以根據(jù)用戶需求自建漢字字庫，顯示點陣為 16 16，簡潔實用的軟件控制命令來設(shè)置顯示模式， 8 位并行的數(shù)據(jù)傳輸方式，工作電壓為 +5V。它的接口電路如圖 所示。由于 2407A 工作電壓為 ，當(dāng)它與 SED1335 進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候需要進行電平轉(zhuǎn)換，所以電路中加入了兩片 LVC4245 芯片，分別用于控制總線和數(shù)據(jù)總線的電平轉(zhuǎn)換 ： 圖 LCD 接口電路圖 鍵盤電路采用 2 3 矩陣鍵盤電路設(shè)計，接線 示意圖為圖 。將 2407A 的A 口定義為 I/O 口，行線 IOPA IOPA7 定義為輸出口， IOPA IOPA IOPA5定義為輸入口。硬件延時消抖電路采用阻容濾波電路，具體電路參見附錄 B。 2 3 的按鍵數(shù)為 6 個，設(shè)置為功能鍵，分別為光標(biāo)上、光標(biāo)下、光標(biāo)左、光標(biāo)右、確定、取消，具體的按鍵編碼對照圖 中的標(biāo)號列成表格 。鍵盤編碼的規(guī)則為先行線全掃描，確定按鍵 3 的鍵碼，然后 IOPA6 輸出低電平掃描確定按鍵 6 的鍵碼值。 表 鍵盤編碼表 圖 鍵盤電路示意圖 鍵盤電路采用 2 3 矩陣鍵盤電路設(shè)計，接線示意圖為圖 。將 2407A 的A 口定義為 I/O 口，行線 IOPA IOPA7 定義為輸出口， IOPA IOPA IOPA5定義為輸入口。硬件延時消抖電路采用阻容濾波電路，具體電路參見附錄 B。 2 3 的按鍵數(shù)為 6 個，設(shè)置為功能鍵，分別為光標(biāo)上、光標(biāo)下、光標(biāo)左、光標(biāo)右、確定、取消，具體的按鍵編碼對照圖 中的標(biāo)號列成表格 。鍵盤編碼的規(guī)則為先行線全掃描，確定按鍵 3 的鍵碼， 然后 IOPA6 輸出低電平掃描確定按鍵 6 的鍵碼值。 三、快速閃存 RAM 由于整個系統(tǒng)在調(diào)試開發(fā)階段，程序不能靠寫一次燒一次來進行調(diào)試，因 此在外面還必須加上快速閃存，這樣就可以解決調(diào)試的問題，閃存需要快速的原 因是 DSP 的指令周期為 50ns?？焖匍W存由一片 8 位 16K 快速 RAM 構(gòu)成 16K 的程序存儲器，芯片型號是 CY7C1021，因為 DSP 的指令時間是 50ns，因此本 系統(tǒng)采用存儲時間為 25ns 的快速 RAM 作為調(diào)試時用的程序存儲器，在調(diào)試結(jié)束后這四片存儲器可以從系統(tǒng)中剔除，并把程序固化到 DSP 內(nèi)部的 FLASH ROM 中。 小結(jié) 本章主要闡述了 變壓變頻 控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括主電路和控制電路。詳細介紹了各個電路的設(shè)計和實現(xiàn)。因為主電路工作在高壓下，而控制電路工作在低壓下，所以要做好隔離工作，以免電網(wǎng)的高次諧波干擾對電子器件的損壞。另外， DSP 工作頻率很高，所以布線的時候必須考慮高頻千擾?？傊?，硬件設(shè)計好壞是本系統(tǒng)成功的關(guān)鍵因素，在考慮性能價格比的同時，更應(yīng)該考慮電路 工作的可靠 。 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計和實現(xiàn) SPWM 波形生成原理與控制算法 SPWM 技術(shù)目前已經(jīng)在實際中得到非常普遍的 應(yīng)用。經(jīng)過長期的發(fā)展，大致可分為電壓 SPWM、電流 SPWM 和磁通 SPWM(也稱電壓空間矢量 PWM)。其中電壓和電流 SPWM 是從電源角度出發(fā)的，而電壓空間矢量 PWM 是從電動機角度出發(fā)的。 本文主要介紹電壓 SPWM技術(shù)， 它 是電壓 SPWM信號的生成技術(shù)，產(chǎn)生電壓 SPWM信號的方法分為硬件法和軟件法兩類。 硬件法中最實用的是采用專用集成電路，如 HEF475 SLE4520 以 及 SA4828等。 軟件法是使電路成本最低的方法，它通過實時計算來產(chǎn)生 SPWM 波形。但是實時計算對控制器的運算速度要求非常高， DSP無疑是能滿 足這一要求的性價比最理想的控制器。 電壓 SPWM 信號實時計算需要數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型的方法有多種，例如諧波消去法、等面積法、采樣型 SPWM 以及由它們派生出來的各種算法。本文采用的是對稱規(guī)則采樣法 和異步調(diào)制方式 。 SPWM 波的數(shù)學(xué)模型 對稱規(guī)則采樣法是以每個三角波的對稱軸 (底點對稱軸 )所對應(yīng)的時間作為采樣時刻。過三角波的對稱軸與正弦波的交點 作平行 t軸的平行線，該平行線與三角波的兩個腰的交點作為 SPWM 波“開”和“關(guān)”的時刻，如 下 圖 所示。因為這兩個交點是對稱的，所以稱為對稱規(guī)則采樣法。 圖 下面推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型。設(shè)三角載波 CU 幅值為 1，正弦調(diào)制信號為sinrrU M wt? ，其中調(diào)制度 0M 1。從圖 可以看出，△ ABC∽ △ EDA，故有 : 21 sin 222rCM w ttT? ? （ ） 由式 （ 51） 可得取樣時刻 SPWM 脈沖的頻寬 : ? ?2 1 sin2C rTt M w t?? （ ） 脈沖兩邊的間隙寬度為 : ? ? ? ?1 3 21 1 s in24 CCrTt t T t M w t? ? ? ? ? （ ） 生成 SPWM 脈沖中各參數(shù)的計算 ，而且設(shè)載波頻率為已知，根據(jù)輸入的調(diào)制波頻率可得 ： 載波比 :N=fc/fr （ ） M 由（ 52）式可知 SPWM 脈沖的脈寬 t2與調(diào)制度 M 成正比，而脈寬又決定了SPWM 脈沖序列的基波電壓的幅值，即 M 決定了變頻器正弦電壓的幅值。因此在恒 U/f 調(diào)頻調(diào)壓時有 : rM A f?? （ ） 式中 A為常數(shù)。 c. 各取樣時刻 t 的正弦函數(shù) sinrwt 如圖 所示，異 步調(diào)制使正弦調(diào)制波 rU 上升段的過零點與三角載波 CU 下降段過零點重合，并把該時刻作為零時刻。本設(shè)計 對稱規(guī)則采樣法的采樣時刻是在每個三角波的負峰值 處，所以各采樣時刻 4CC Tt kT??(k =0,1,2，， 1N? ),這里 k =0 對應(yīng)第一個采樣時刻，各采樣時刻的正弦函數(shù)為 11s in s in 2 s in 244Cr r C Tw t f k T kN??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? (k =0,1,2，， 1N? ) （ ） 圖 t的正弦函數(shù) sinrwt 對于正弦函數(shù)，可以預(yù)先計算出幅值為 1 的正弦函數(shù)對應(yīng)于各 k點的值，把計算結(jié)果制成表格，作 為基準(zhǔn)正弦函數(shù)表，存于 FLASH 中，以備查用。 異步調(diào)制方式 本設(shè)計采用的是異步調(diào)制方式，使載波頻率固定不變，調(diào)整調(diào)制波頻率就可進行調(diào)速。它不存在同步控制方式所產(chǎn)生的低頻諧波分量大 的缺點。 DSP 生成 SPWM 波形 控制寄存器設(shè)置 控制寄存器是指為產(chǎn)生 SPWM 波而需要設(shè)置的事件管理器（ EVA）中的特殊功能寄存器。為了得到期望中的理想波形輸出，不但要求有正確的算法，正確地設(shè)置控制寄存器同樣也是極其關(guān)鍵的?？刂萍拇嫫鞯脑O(shè)置順序為： 設(shè)置定時周期寄存器 T1PR。 設(shè)置動作控制寄存器 ACTR。 設(shè)置死區(qū)時間控制寄存器 DBTCON。 初始化 CMPRx(x= 3)。 設(shè)置比較控制寄存器 COMCON。 設(shè)置定時器 1控制寄存器 T1CON。 在每個采樣周期重寫 CMPRx(x= 3)。 DSP 生成 SPWM 波的基本 設(shè)計思想 利用 TMS320LF2407A 生成 SPWM 波的基本設(shè)計思想是利用 DSP 的事件管理器（ EVA）中的 3 個全比較單元、通用定時器 死區(qū)發(fā)生單元以及輸出邏輯來生成三相六路 SPWM 波，經(jīng) 6個復(fù)用的 IO 引腳輸出， EVA內(nèi)部 PWM生成電路框圖如圖 。 TMS320LF2407A 的定時器有 4種工作方式，當(dāng)以如圖 所示的持續(xù)向上 /下計數(shù)方式工作時，將產(chǎn)生對稱的 PWM 波輸。在這種計數(shù)方式下，計數(shù)器的值由初值開始向上跳增，當(dāng)?shù)竭_ T1PR 值時，開始遞減跳變，直至計數(shù)器的值為零時又重新向上跳增，如此循環(huán)往復(fù)。 在計數(shù)器跳變的工程中，計數(shù)器的值都與比較寄存器 CMPRx(x= 3)的值作比較，當(dāng)計數(shù)器的值與任一比較 寄存器的值相等，則對應(yīng)的該相方波輸出發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)，如圖 所示， 在一個周期 圖 PWM生成電路電路框圖 圖 PWM波產(chǎn)生機理 內(nèi)，輸出的方波將發(fā)生兩次電平翻轉(zhuǎn)。從圖 還可以看出插入死區(qū)時間后波形的變化情況，死區(qū)的寬度從 0～ 12181。s 可調(diào)。系統(tǒng)中考慮到所用功率器件的 開通和關(guān)斷時間，設(shè)定 PWM 波的死區(qū)時間為 ，只要在每個脈沖周期根據(jù)在線計算改寫比較寄存器 CMPR 的值，就可實時地改變 PWM脈沖的占空比。 死區(qū)單元的工作原理是：它根據(jù)全比較單元輸出的 PWM 信號作為輸入，根據(jù)其跳變沿來使能裝載 8 位減計數(shù)器， 8 位減計數(shù)器的計數(shù)值由 DBTCON 的高 8位提供，時鐘由 CPU 輸入時鐘通過 DBTCON 的第 4位決定的預(yù)定標(biāo)因子分頻后作為計數(shù)器時鐘，在計數(shù)器減計數(shù)到 0前，比較器輸出為低電平封鎖與門。由此可以產(chǎn)生 PWM 信號死區(qū)。 PWMx( 5)信號的輸出根據(jù) XDTPH 來決定， ACTR控制高有效時輸出 XDTPH ， 低有效時輸出 XDTPH 。 PWMx（ 6）信號的輸出根據(jù) _XDTPH 來決定， ACTR 控制高有效時輸出 _XDTPH ，低有效 時輸出_XDTPH 。 DSP 的死區(qū)根據(jù) ACTR 的高低有效性而改變，高有效時不允許上下 管的控制信號同為高電平，低有效時不允許同為低電平。因此 DSP 死區(qū)時間對高、低電平開 通均有效。軟件產(chǎn)生死區(qū)只需將 DBTCON 的高八位載入一定數(shù)值，即可實現(xiàn)。死區(qū)控制寄存器結(jié)構(gòu)圖如 圖 。 圖 DSP 程序設(shè)定 第一，要確定 DSP中 EVA 的定時周期寄存器 T1PR 的值。在這里設(shè)定載波頻率為 20kHZ，載波周期為 Tc=50181。s,則 T1PR= 1～ 50Hz 變頻功能。 第二，為了提高計算速度 ，保證控制的實時性，預(yù)先計算好一周期 360 個采樣點的單位正弦值，按順序制成表格。 第三，考慮如何在線計算和改寫比較寄存器 CMPR 值的問題。在程序中根據(jù)輸入的調(diào)制波頻率值和載波頻率值計算出載波比 N 值 ,并根據(jù) U/F 曲線確定調(diào)制度M值。接下來計算出下一個載波周期時三個比較器的比較值， CMPR 的值的在線計算和改寫都在中斷服務(wù)程序里完成。進入中斷服務(wù)程序后，查表得到單位正弦表中下一個采樣點各相對應(yīng)的正弦值，可以計算出各相的開通和關(guān)斷時間。并比較正負脈寬是否小于 3181。s或大于 47181。s,如果小于 3181。s則認(rèn)為是窄脈寬，刪除該 脈沖，如果大于 47181。s 則認(rèn)為它的脈寬大小為 50181。s。 程序流程圖 控制策略的實現(xiàn)主要是靠軟件來完成的，所以說，軟件是實現(xiàn)控制策略的核心。本系統(tǒng)的軟件由 四 部分構(gòu)成 :一、系統(tǒng)的初始化程序，主要在系統(tǒng)啟動之前，把所有的寄存器內(nèi)部值初始化 。二、系統(tǒng)的主程序， 系統(tǒng)主程序是系統(tǒng)控制的核心，它主要包括系統(tǒng)的算法、系統(tǒng)控制的思路、對系統(tǒng)的實時監(jiān)視和控制。三、中斷服務(wù)子程序。它主要為故障 保護 中斷服 務(wù) 子程序 和定時器下溢、上溢、周期、比較中斷 服 務(wù) 子程序。故障 保護 中斷服務(wù)子程序的主要任務(wù)就是 :當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)意外或不可控的 情 況時 (過 、欠電壓保護， 過 、欠電流保護， IPM故障保護 )， 那么 DSP 就會發(fā)生故障中斷，立即 封鎖 PWM 輸出， 關(guān)閉 逆變電路，并且顯示故障信號，便于及時的保護系統(tǒng)，使由于故障而引起的損失減小到最低；定時器下溢中斷 服 務(wù) 子程序 是為了計算下一個載波周期時三個比較器的比較值。四、頻率輸入電路程序主要是提供調(diào)制波頻率值。各部分流程圖如下： （ 1）系統(tǒng)初始化流程圖 系統(tǒng)初始化主要有以下幾部分組成：所用變量，事件管理器， I/O 口。初 始化只在系統(tǒng)上電時執(zhí)行一次。如下圖 。 開