【正文】 4K 字 I/O 尋址空間 ； 看門(mén)狗定時(shí)器模塊 （ WDT）； 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為 500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè) 8 通道輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器或一個(gè) 16 通道輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器 ； 控制器局域網(wǎng)絡(luò) （ CAN） 模塊 ； 串行通信接口 （ SCI） 模塊 ； 16 位的串行外設(shè) （ SPI） 接口模塊 ； 基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器 ； 高達(dá) 40 個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用通用輸入 /輸出引腳（ GPIO）； 5 個(gè)外部中斷 （ 兩個(gè)電極驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷 ）； 電源管理包括 3 種低功耗模式，能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。 DSP 處理器所采用的將程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的地址和數(shù)據(jù)總線分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，為采用流水技術(shù)提供了很大的方便 ； 采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為 ，減少了控制器的功耗 ； 40MIPS 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到 25ns（ 40MHZ） ，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力 ； 基于 TMS320C2xxDSP 的 CPU 核，保證了 TMS320LF240x系 列 DSP 代碼和 TMS320 系列代碼兼容 ； 片內(nèi)有高達(dá) 32K 字的 FLASH 程序存儲(chǔ)器，高達(dá) 字的數(shù)據(jù) /程序 RAM， 544 字雙口 RAM(DARAM)和 2K 字的單口 RAM（ SARAM） ；兩個(gè)事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個(gè)包括 :兩個(gè) 16 位通用定時(shí)器 ； 8 個(gè) 16 位脈寬調(diào)制 （ PWM） 通道。即第一條指令譯碼時(shí)，第二條指令取指 。 計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令時(shí)，總要經(jīng)過(guò)取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行運(yùn)算等步驟，需要若干個(gè)指令周期才能完成。在哈佛結(jié)構(gòu)中，由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開(kāi)的空間中，因此取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行。而馮一諾依曼結(jié)構(gòu)則是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一編址、依靠指令計(jì)數(shù)器提供的地址來(lái)區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址。 哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 9 即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問(wèn)。在與現(xiàn)存 24xDSP 控制器芯片代碼兼容的同時(shí)， LF2407A芯片具有處理性能更好 （ 40MIPS） 、外設(shè)集成度更高、程序存儲(chǔ)器更大、 A/D 轉(zhuǎn)換速度更快等特點(diǎn)，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級(jí)產(chǎn)品。 LF2407A 芯片提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力，對(duì)電機(jī)的數(shù)字化控制非常有用。 本系統(tǒng)采用 24V 直流電源，通過(guò)逆變電路，將直流電變成三相交流電，進(jìn)而控制三相異步電機(jī)。 DSP 也可以理解為： Digital Signal Processor，即 用于數(shù)字信號(hào)處理的可編程微 處理器。該變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)為今后開(kāi)發(fā)更高性能的變頻調(diào) 速系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用 SVPWM 技術(shù)和矢量控制技術(shù)可以成功實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速功能。在軟件設(shè)計(jì)方面，本文用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)基于TMS320LF2407A DSP 的三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制程序，整個(gè)矢量控制程 序由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。論文用 Matlab/Simulink 軟件對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)。脈寬調(diào)制技術(shù)中重點(diǎn)分析正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（ SPWM）和電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（ SVPWM）的基本原理和控制算法。本文研究一種基于數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）的三相異步電動(dòng)機(jī)變頻 調(diào)速系統(tǒng)。 基于 DSP的三相異步電機(jī) 變頻調(diào)速 控制 器設(shè)計(jì) 單位： 江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 班級(jí)：自動(dòng)化 0901 學(xué)號(hào)： 0704090112 姓名：田望同 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 1 1. 要求： 系統(tǒng)輸入直流電，輸出三相交流電，以控制三相異步電機(jī)。 2. 概要： 電機(jī)節(jié)能問(wèn)題一直是廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)，在電機(jī)節(jié)能技術(shù)中最受矚目的是 變頻調(diào)速技術(shù)。 論文首先闡述三相異步電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制技術(shù)和矢量控制原理。矢量控制思想是將異步電機(jī)模擬成直流電機(jī)，通過(guò)坐標(biāo)變換，將定子電流矢量分解為按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩個(gè)直流分量，實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。 在硬件設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)以 TI 公司的 TMS320LF2407A DSP 芯片為控制電路核心，以三菱公司智能功率模塊（ IPM） PM25RSB120 為主電路核心，對(duì)三相交流整流濾波電路、 IPM 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、相電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、顯示電路以及 DSP 與 PC 機(jī)通信電路等模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后構(gòu)建三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置，在該裝置上進(jìn)行變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)研究。采用矢量控制技術(shù)后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、抗擾能力強(qiáng)。 3. 元件及介紹 DSP 全稱(chēng)是： Digital Signal Processing，即 數(shù)字信號(hào)處理的理論和方法。 DSP 技術(shù) ： Digital Signal Process，即 是利用專(zhuān)門(mén)或通用數(shù)字信號(hào)處理芯片，通過(guò)數(shù)字計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn) 行 處理的方法與技術(shù)。 電機(jī)型號(hào)及相關(guān)參數(shù)： ， ： 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 2 注： 系統(tǒng)總圖見(jiàn)附錄 DSP 驅(qū)動(dòng)電路 逆變電路 三相異步電機(jī) + 24V 75176 CAN 總線 485 CAN 人機(jī)接口 顯示 按鍵 X25040 AD 信 號(hào)處理 i 10K 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 3 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 4 （ 2272） 連接（ 431） 電源 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 5 485 通訊 CAN 總線 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 6 譯碼器（ 74HC138） 鎖存器（ 74HC273） 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 7 鍵盤(pán)顯示電路 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 8 : （ TMS320LF240xA） 芯片特點(diǎn)概述 TI 公司的 TMS320LF2407A 芯片作為 DSP 控制器 24x 系列的新成員，是T MS 320C 2020 TM平臺(tái)下的一種定點(diǎn) DSP 芯片。幾種先進(jìn)外設(shè)被集成到該芯片內(nèi)，以形成真正的單芯片控制器。 TMS320LF240xDSP 有以下一些特點(diǎn) ： 采用哈佛結(jié)構(gòu) 。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問(wèn)同一存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)吞吐率低。為了進(jìn)一步提高運(yùn)行速度和靈活 性，TMS320DSP 芯片在基本哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中，并被算術(shù)指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性 ； 二是指令存儲(chǔ)在高速緩沖器中，當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，不需要再?gòu)?存儲(chǔ)器中讀取指令，節(jié)約了一個(gè)指令周期的時(shí)間； 流水技術(shù) 。流水技術(shù)是將各指令的各個(gè)步驟重疊起來(lái)執(zhí)行，而不是一條指令執(zhí)行完成之后，才開(kāi)始執(zhí)行下一條指令。第一條指令取數(shù)時(shí)，第二條指令譯碼，第三條指令取指??依 次類(lèi)推，實(shí)用流水技術(shù)后，盡管每一條指令的執(zhí)行仍然要經(jīng)過(guò)這些步驟，需要同樣的指令數(shù)，但將一個(gè)指令段綜合起來(lái)看，其中的每一條指令的執(zhí)行就都是一個(gè)指令周期內(nèi)完成。它們能夠?qū)崿F(xiàn) :三相反相器控制 ； PWM 的對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)波形 ；當(dāng)外部引腳 PDPINTX 出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉 PWM 通道 ； 可編程的 PWM 死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖 ； 3 個(gè)捕單元 ； 片內(nèi)光電編碼器接口電路 ； 16 通道A/D 轉(zhuǎn)換器。 SYMCK2407A() 功能框圖 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 10 IR2132 驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn) IR2132可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓不高于 600 V的電路中的功率 MOS門(mén)器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 250 mA，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 500 mA。它自身工作和電源電壓的范圍較寬 (3～ 20 V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過(guò)的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的 3 個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的 3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并且輸入信號(hào)與TTL及 CMOS 電平兼容。 VBl～ VB3 是懸浮電源接地端，通過(guò)自舉電容為 3 個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源， VSl～ VS3 是其對(duì)應(yīng)的懸浮電源地端。 ITRIP 是過(guò)流信號(hào)檢測(cè)輸入端，可通過(guò)輸入電流信號(hào)來(lái)完成過(guò)流或直通保護(hù)。 H01～ H03， L01～ L03 是逆變器上下橋臂功率開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端。它在芯片內(nèi)部是漏極開(kāi)路輸出端，低電平有效。 IR2132 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理 IR2132 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，它的內(nèi)部集成有 1 個(gè)電流比較器 (Current Comparator)、 1個(gè)電流放大器 (Current Amp)、 1 個(gè)自身工作電源欠電壓檢測(cè)器 (Under Voltage Detector)、 1個(gè)故障處理單元 (Fault Logic)及 1個(gè)清除封鎖邏輯單元 (Clear Logic)。 485 通訊 RS485 和 RS232 的基本的通訊機(jī)理是一致的，他的優(yōu)點(diǎn)在于彌補(bǔ)了 RS232 通訊距離短，不能進(jìn)行多臺(tái)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理的缺點(diǎn)。 接線標(biāo)示是 485+ 485 ，分別對(duì)應(yīng)鏈接設(shè)備（控制器）的 485+ 485。如果距離超長(zhǎng)，可以選購(gòu) 485 中繼器 （延長(zhǎng)器）（請(qǐng)向?qū)I(yè)的轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)公司購(gòu)買(mǎi)，中繼器的放置位置是在總線中間還是開(kāi)始，請(qǐng)參考相關(guān)廠家的說(shuō)明書(shū)。 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 12 負(fù)載數(shù)量：即一條 485總線可以帶多少臺(tái)設(shè)備（控制器），這個(gè)取決于 控制器的通訊芯片和 485 轉(zhuǎn)換器的通訊芯片的選型，一般有 32臺(tái)， 64 臺(tái)， 128 臺(tái)， 256 臺(tái)幾種選擇，這個(gè)是理論的數(shù)字，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，通訊距離等因素，負(fù)載數(shù)量達(dá)不到指標(biāo)數(shù)。如果有幾百上千臺(tái)控制器，請(qǐng)采用 多串口卡 或者 485HUB 來(lái)解決，具體 請(qǐng)參考 “ 如果系統(tǒng)控制器數(shù)成百上千臺(tái)，如何組網(wǎng)？ ” 堅(jiān)決禁止使用無(wú)源 485轉(zhuǎn)換器，具體請(qǐng)參考 “ 為什么禁止使用無(wú)源 485 轉(zhuǎn)換器？ ” 485 通訊總線（必須用雙絞線，或者網(wǎng)線的其中一組），如果用普通的電線（沒(méi)有雙絞）干擾將非常大，通訊不暢，甚至通訊不上。如果有星型連接或者分叉，干擾將非常大，通訊不暢，甚至通訊不上。最初， CAN 被設(shè)計(jì)作為汽車(chē)環(huán)境中的微控制器通訊，在車(chē)載各電子控制裝置 ECU 之間交換信息，形成汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò)。 一個(gè)由 CAN 總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無(wú)數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)。例如，當(dāng)使用 Philips P82C250 作為 CAN收發(fā)器時(shí)，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接 110 個(gè)節(jié)點(diǎn)。另外，硬件的錯(cuò)誤檢定特性也增強(qiáng)了 CAN 的抗電磁干擾能力。這些特性包括： 低成本 極高的總線利用率 很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離 (長(zhǎng)達(dá) 10Km) 高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá) 1Mbit/s） 可根據(jù)報(bào)文的 ID決定接收或屏蔽該報(bào)文 可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā) 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能 報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來(lái)指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息 CAN 是怎樣工作的 基于 DSP 的三相異步電機(jī)控制 13 CAN 通訊協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。 CAN 的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應(yīng)用層協(xié)議可以由 CAN用戶(hù)定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案。在汽車(chē)工業(yè)，許多制造商都應(yīng)用他們自己的標(biāo)準(zhǔn)。 74HC138 譯碼器可接受 3 位二進(jìn)制加權(quán)地址輸入（ A0, A1 和 A3），并當(dāng)使能時(shí)，提供 8個(gè)互斥的低有效輸出（ Y0 至 Y7）。除非 E1 和 E2 置低且 E3置高，否則 74HC138 將保持所有輸出為高。任選一個(gè)低有效使能輸入端作為數(shù)據(jù)輸入，而把其余的使能輸入端作為選通端，則 74HC138 亦可充當(dāng)一個(gè) 8輸出多路 分配器，未使用的使能輸入端必須保持綁定在各自合適的高有效或低有效狀態(tài)。 特性 多路分配功能 復(fù)合使能輸入，輕松實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展 兼容 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) 存儲(chǔ)器芯片譯碼選擇的理想選擇 低有效互斥輸出 ESD保護(hù) HBM EI