【導(dǎo)讀】機(jī)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(jìn)步。同時(shí)，它能提高電機(jī)的工作效率，改善電機(jī)的工作性能以及減小工。本文介紹了基于DSP的異步電機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究和實(shí)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(jì)了感。噪音小，不失為一套具有先進(jìn)型、新穎性、實(shí)用性的控制系統(tǒng)。電動機(jī)按照供電電源的不同，分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)。這兩種電動機(jī)作為動力源的傳動系統(tǒng)，先后于19世紀(jì)晚期誕生。實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，只要保持電樞電壓恒定，這相對于交流電動機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)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】 可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤，編碼鍵盤能夠由硬件自動提供與被按鍵對應(yīng)的 ASCII 碼或其它編碼，但是它要求采用較多的硬件，價(jià)格昂貴，非編碼鍵盤僅提供行列矩陣，由程序來確定對應(yīng)關(guān)系。本文中選用的 LCD 分辨率為 320 240 點(diǎn)陣，液晶內(nèi)置控制器為SED1335，它是一款既能進(jìn)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(diǎn)陣為 5 7，可以根據(jù)用戶需求自建漢字字庫，顯示點(diǎn)陣為 16 16，簡潔實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候需要進(jìn)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(jì)，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(shí)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(gè)，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(jì)，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(shí)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(gè)，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(gè)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(jìn)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?yàn)?DSP 的指令時(shí)間是 50ns，因此本 系統(tǒng)采用存儲時(shí)間為 25ns 的快速 RAM 作為調(diào)試時(shí)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(jì)，包括主電路和控制電路。詳細(xì)介紹了各個(gè)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橹麟娐饭ぷ髟诟邏合拢刂齐娐饭ぷ髟诘?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(shí)候必須考慮高頻千擾?？傊?，硬件設(shè)計(jì)好壞是本系統(tǒng)成功的關(guān)鍵因素，在考慮性能價(jià)格比的同時(shí)，更應(yīng)該考慮電路 工作的可靠 。 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)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(shí)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(jī)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(shí)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(shí)時(shí)計(jì)算來產(chǎn)生 SPWM 波形。但是實(shí)時(shí)計(jì)算對控制器的運(yùn)算速度要求非常高， DSP 無疑是能滿足這一要求的性價(jià)比最理想的控制器。 電壓 SPWM 信號實(shí)時(shí)計(jì)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 。 生成 SPWM 波的數(shù)學(xué)模型 對稱規(guī)則采樣法是以每個(gè)三角波的對稱軸 (底點(diǎn)對稱軸 )所對應(yīng)的時(shí)間作為采樣時(shí)刻。過三角波的對稱軸與正弦波的交點(diǎn) 作平行 t軸的平行線，該平行線與三角波的兩個(gè)腰的交點(diǎn)作為 SPWM 波“開”和“關(guān)”的時(shí)刻，如 下 圖 所示。因?yàn)檫@兩個(gè)交點(diǎn)是對稱的，所以稱為對稱規(guī)則采樣法。 圖 對稱規(guī)則采樣法 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(shí)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(jì)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(shí)有 : rM A f?? （ ） 式中 A為常數(shù)。 c. 各取樣時(shí)刻 t 的正弦函數(shù) sin rwt 如圖 所示，異 步調(diào)制使正弦調(diào)制波 rU 上升段的過零點(diǎn)與三角載波 CU 下降段過零點(diǎn)重合，并把該時(shí)刻作為零時(shí)刻。本設(shè)計(jì) 對稱規(guī)則采樣法的采樣時(shí)刻是在每個(gè)三角波的負(fù)峰值處，所以各采樣時(shí)刻 4CC Tt kT??(k =0,1,2，， 1N? ),這里 k =0 對應(yīng)第一個(gè)采樣時(shí)刻，各采樣時(shí)刻的正弦函數(shù)為 11s i n s i n 2 s i n 244Cr r C Tw t f k T kN??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? (k =0,1,2，， 1N? ) （ ） 圖 各取樣時(shí)刻 t 的正弦函數(shù) sin rwt 對于正弦函數(shù)， 可以預(yù)先計(jì)算出幅值為 1的正弦函數(shù)對應(yīng)于各 k點(diǎn)的值，把計(jì)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(jì)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(jìn)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(diǎn)。 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?？?制寄存器的設(shè)置順序?yàn)椋? 設(shè)置定時(shí)周期寄存器 T1PR。 設(shè)置動作控制寄存器 ACTR。 設(shè)置死區(qū)時(shí)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(shí)器 1 控制寄存器 T1CON。 在每個(gè)采樣周期重寫 CMPRx(x= 3)。 DSP 生成 SPWM 波的基本設(shè)計(jì)思想 利用 TMS320LF2407A 生成 SPWM 波的基本設(shè)計(jì)思想是利用 DSP 的事件管理器（ EVA）中的 3 個(gè)全比較單元、通用定時(shí)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(gè)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(shí)器有 4 種工作方式，當(dāng)以如圖 所示的持續(xù)向上 /下計(jì)數(shù)方式工作時(shí)，將產(chǎn)生對稱的 PWM 波輸。在這種計(jì)數(shù)方式下，計(jì)數(shù)器的值由初值開始向上跳增，當(dāng)?shù)竭_(dá) T1PR 值時(shí)，開始遞減跳變，直至計(jì)數(shù)器的值為零時(shí)又重新向上跳增，如此循環(huán)往復(fù)。在計(jì)數(shù)器跳變的工程中，計(jì)數(shù)器的值都與比較寄存器 CMPRx(x= 3)的值作比較，當(dāng)計(jì)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 ， 在一個(gè) 周期 圖 PWM 生成電路電路框圖 圖 對稱 PWM 波產(chǎn)生機(jī)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(shí)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(shí)間，設(shè)定 PWM 波的死區(qū)時(shí)間為 ，只要在每個(gè)脈沖周期根據(jù)在線計(jì)算改寫比較寄存器 CMPR 的值，就可實(shí)時(shí)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(jì)數(shù)器， 8位減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值由 DBTCON 的高 8位提供，時(shí)鐘由 CPU 輸入時(shí)鐘通過 DBTCON 的第 4位決定的預(yù)定標(biāo)因子分頻后作為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘，在計(jì)數(shù)器減計(jì)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(shí)輸出 XDTPH ， 低有效時(shí)輸出 XDTPH 。 PWMx（ 6）信號的輸出根據(jù) _XDTPH 來決定， ACTR 控制高有效時(shí)輸出 _XDTPH ，低有效 時(shí)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(shí)不允許上下管的控制信號同為高電平，低有效時(shí)不允許同為低電平。因此 DSP 死區(qū)時(shí)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(shí)現(xiàn)。死區(qū)控制寄存器結(jié)構(gòu)圖如 圖 所示。 圖 死區(qū)控制寄存器結(jié)構(gòu)圖 DSP 程序設(shè)定 第一，要確定 DSP中 EVA 的定時(shí)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(jì)算速度，保證控制的實(shí)時(shí)性，預(yù)先計(jì)算好一周期 360 個(gè)采樣點(diǎn)的單位正弦值，按順序制成表格。 第三，考慮如何在線計(jì)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(jì)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(jì)算出下一個(gè)載波周期時(shí)三個(gè)比較器的比較值， CMPR 的值的在線計(jì)算和改寫都在中斷服務(wù)程序里完成。進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，查表得到單位正弦表中下一個(gè)采樣點(diǎn)各相對應(yīng)的正弦值，可以計(jì)算出各相的開通和關(guān)斷時(shí)間。并比較正負(fù)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(shí)現(xiàn)主要是靠軟件來完成的，所以說，軟件是實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。三、中斷服務(wù)子程序。它主要為故障 保護(hù) 中斷服 務(wù) 子程序 和定時(shí)器下溢、上溢、周期、比較中斷 服 務(wù) 子程序。故障 保護(hù) 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(shí) (過 、欠電壓保護(hù)， 過 、欠電流保護(hù)， IPM 故障保護(hù) )， 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(shí)的保護(hù)系統(tǒng)，使由于故障而引起的損失減小到最低；定時(shí) 器下溢中斷 服 務(wù) 子程序 是為了計(jì)算下一個(gè)載波周期時(shí)三個(gè)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，