基于DSP的異步電動機的變頻系統(tǒng)控制板的硬件設計畢業(yè)設計

1、基于dsp的異步電動機的變頻系統(tǒng)控制板的硬件設計摘 要隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，電氣傳動控制在工業(yè)中起著極為重要的作用，為了滿足高性能、節(jié)能等要求，交流調速控制系統(tǒng)以其特有的優(yōu)點正逐步取代傳統(tǒng)的直流調速，已經在電氣傳動領域中得到廣泛的應用。本文主要介紹了基于dsp的交流異步電機變頻調速控制系統(tǒng)的設計。首先，分析討論了交流異步電機的數(shù)學模型，針對交流異步電機數(shù)學模型的高階、非線性、強耦合的多輸入多輸出特點，討論了交流電機的矢量控制。其次，在分析了變頻調速系統(tǒng)控制器的功能需求基礎上，以ti公司的tms320lf2812作為變頻調速系統(tǒng)控制系統(tǒng)的核心處理器，進行了控制板的電源電路、存儲器電路、通訊

2、以及調理電路的設計。設計了控制板硬件原理圖和pcb圖。最后，針對系統(tǒng)多電源、高頻率、弱電與強電等特點，分析了變頻系統(tǒng)的電磁干擾，對軟、硬件抗干擾措施進行了討論。關鍵詞：dsp，磁場定向，交流異步電機，變頻調速the hardware desige of ac motor variable-frequency speed regulating system control panel based on dspabstractwith the continuous development of the electrical and electronical technology, electric

3、 drives act as extremely prominent function in modernization. in order to meet the requirements of high performance, environmental protection and energy conservation, ac variable-frequency speed regulating system with the special advantage is replacing the conventional direct current speed regulatin

4、g system gradually. thus ac variable-frequency speed regulating system makes the important role in the electric drives.firstly, the mathematics models of ac motor with characters of higher order, non-linear，strong coupling and multivariable is discussed in this paper，then ac motor vector control is

5、studied.secondly, in order to meet the function needs of variable-frenquency speed regulating, tms320lf2812 is selected as the core processors of the system. power circuit, memory circuit, communications and processing circuit are designed.finally, the factors of multi-power, high frequency and weak

6、 electric and strong electric are coexisted and so on. the electromagnetic interference of the other equipment is serious interfered by the system. the anti-jamming is discussed and analyses in the paper. key words：digital signal processor，field-oriented，ac motor，variable-frequency speed regulating畢

7、業(yè)論文（設計）誠信聲明本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設計）是在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標注，論文中的結論和成果為本人獨立完成，真實可靠，不包含他人成果及已獲得 或其他教育機構的學位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。論文（設計）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設計）版權使用授權書本畢業(yè)論文（設計）作者同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文（設計）的復印件和電子版，允許論文（設計）被查閱和借閱。本人授權青島農業(yè)大學可以將本畢業(yè)論文（設計）全部或部分內容編入

8、有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設計）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設計）或與該論文（設計）直接相關的學術論文或成果時，單位署名為 。論文（設計）作者簽名： 日期： 年 月 日指 導 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日目 錄1 緒論11.1 本課題的研究背景和研究意義11.2 交流變頻調速技術發(fā)展概況及其運用21.2.1 電力電子技術的發(fā)展21.2.2 控制策略和控制理論的發(fā)展31.2.3 全數(shù)字化高性能微處理器運用于電機控制41.2.4 目前變頻技術的發(fā)展趨勢、展望51.3 本文的主要內容52 矢量控制原理概述62.1 轉子磁鏈定向條件下的電

9、機模型62.2 轉子磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統(tǒng)的算法92.3 坐標變換技術112.3.1 三相靜止/任意二相旋轉坐標系上的變換(3s/2r變換)112.3.2 二相靜止/二相旋轉變換(2s/2r變換)112.4 空間電壓矢量調制(svpwm)123 變頻系統(tǒng)控制板的硬件設計143.1 tms320f2812簡介143.1.1 tms320f2812 dsp簡介143.1.2 程序編寫和調試153.2 電源電路設計163.3 存儲器擴展電路設計173.4 通訊接口電路設計183.5 調理板電路設計203.5.1 電流采樣調理電路設計203.5.2 電壓采樣調理電路設計214 控制板pcb設計23

10、4.1 pcb布局234.2 pcb布線245 抗干擾討論分析275.1 變頻調速系統(tǒng)的電磁干擾275.1.1 電源對系統(tǒng)的影響275.1.2 瞬態(tài)脈沖對數(shù)字電路的干擾275.1.3 分布電感、電容對信號的影響285.2 硬件抗干擾技術285.2.1 系統(tǒng)電源的電磁兼容設計285.2.2 接口電路的抗干擾措施295.2.3 ipm電磁兼容設計295.2.4 電路板布局設計295.2.5 合理布線305.3 軟件抗干擾技術305.3.1 離散信號的采樣和濾波315.3.2 模擬信號的采樣和濾波315.3.3 軟件對異常情況的處理方法31結論32致謝33參考文獻341. 緒論1.1 本課題的研究背

11、景和研究意義隨著世界經濟的不斷發(fā)展，科學技術不斷提高，環(huán)保和能源問題日趨成為人們爭論的主題。充分有效地利用能源已成為緊迫的問題，為了尋求高效可用的能源,各個國家都投入了大量人力財力，進行不懈的努力。就目前而言，電能是全世界消耗最多的能源之一，同時也是浪費最多的能源之一，為解決能源問題必須先從電能著手，其中起代表性的就是電機的控制1-2。電機是一種將電能轉換成機械能的設備，它的用途非常廣泛，在現(xiàn)代社會生活中隨處可見電機的身影，在發(fā)達國家中生產的總電能有一半以上是用于電機的能量轉換，這些電機傳動系統(tǒng)當中90%左右的是交流異步電機。在國內,電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，約

12、占工業(yè)耗電量的80%。并且使用中的電機絕大部分還是中小型異步電機，加之設備的陳舊，管理、控制技術跟不上，所浪費的電能甚多。能源工業(yè)作為國民經濟的基礎，對于社會、經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高都起著極為重要的作用。在高速增長的經濟環(huán)境下，我國能源工業(yè)面臨著經濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術、能源價格的影響，我國能源利用效率比發(fā)達國家低很多。為此，國家十五計劃中，在電機系統(tǒng)節(jié)能方面投入的資金高達500億元左右，由此可見，在我國異步電機的變頻調速系統(tǒng)將有巨大的市場潛能。在電力電子技術、計算機技術以及自動控制技術迅速發(fā)展的今天，電氣傳動技術正面臨著一場歷史性的革命。經過了二十多年的

13、發(fā)展，近代交流傳動逐漸成為電氣傳動的主流。在交流電機調速系統(tǒng)中，效率最高、性能最佳的是變頻調速系統(tǒng)，因此，對變頻調速的研究是當前電氣傳動研究中最為活躍、最有實際應用價值的工作。變頻器產業(yè)的潛力非常巨大，值得強調的是，這里的“變頻器產業(yè)”應該是“變頻器技術產業(yè)”，或者是inverter technology產業(yè)。正如it產業(yè)不僅限于pc一樣，變頻器技術產業(yè)包括所有與變頻器技術相關的產業(yè)，如電力電子器件的生產、驅動保護集成電路的生產、電氣傳動與系統(tǒng)控制技術、工業(yè)應用等。1.2 交流變頻調速技術發(fā)展概況及其運用近年來，交流調速在國內外發(fā)展十分迅速，打破了過去直流拖動在調速領域中的統(tǒng)治地位，交流調速拖

14、動已進入了與直流拖動相媲美、相競爭、相抗衡的時代，并有取而代之的趨勢，這是現(xiàn)代電力拖動發(fā)展的主要特征。其主要原因有：電力電子技術的不斷出新、控制策略和電機控制理論的不斷完善、以及全數(shù)字化高性能高速度的微處理器不斷發(fā)展等3。1.2.1 電力電子技術的發(fā)展由于交流電機的諸多優(yōu)點和運用廣泛，其調速系統(tǒng)早就得到人們的關注，早期的交流電機調速方法，如用繞線式異步電機轉子串電阻調速、鼠籠式異步電機變極調速、在定子繞組串電抗器調速等都存在效率低，不經濟等缺點。交流變頻調速的優(yōu)越性早在20世紀20年代就已被人們所認識，但受到元器件的限制，當時只能用閘流管構成逆變器，由于投資大，效率低，體積大而未能推廣。20世

15、紀50年代中期，晶閘管的研制成功，開創(chuàng)了電力電子技術發(fā)展的新時代。晶閘管具有體積小、重量輕、響應快、管壓低等優(yōu)點，從而使得交流電機調速技術有了飛躍發(fā)展，出現(xiàn)了交流異步電機調壓調速、串級調速等調速系統(tǒng)。到20世紀70年代出現(xiàn)了變頻調速技術，變頻調速具有高效率、高精度和寬范圍等特點，是目前運用最廣泛且最具有發(fā)展前途的調速方式。交流電機變頻調速系統(tǒng)的種類也很多，從早期提出的電壓源型變頻調速開始，相繼發(fā)展了電流源型，脈寬調制等各種變頻調速控制系統(tǒng)。目前變頻調速的主要方案有:同步電機自控式變頻調速，正弦脈寬調制(sine pulse width modulation)變頻調速，矢量控制(field or

16、iented control)變頻調速，直接轉矩控制(direct torquecontrol)及無速度傳感器控制等。這些變頻調速技術的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導體器件的制造水平。隨著電力電子技術的發(fā)展，特別是可關斷晶閘管gto、電力晶體管gtr、絕緣門極晶體管igbt、mos晶閘管及mtc等具有自關斷能力全控功率元件的發(fā)展，且控制單元也從分離元件發(fā)展到大規(guī)模數(shù)字集成電路及采用微處理器控制，從而使變頻裝置的快速性、可靠性及經濟性不斷提高，變頻調速系統(tǒng)的性能也得到不斷完善。1.2.2 控制策略和控制理論的發(fā)展由直流電機的結構可知，直流電機的電樞磁勢和電機的勵磁是相互正交的， 可以對電樞的電流

17、和磁通分別進行控制，從而能夠得到較理想的直流電機的轉速調節(jié)性能和轉矩調節(jié)控制性能。由于直流電機本身的結構復雜，還存在著換向器或電刷等器件，使得直流電機的容量受到一定的限制，維護也不方便。為此，交流異步電機以其獨有的結構簡單、耐用、運行穩(wěn)定可靠、轉動慣量小、制造成本低、維護少且方便、能夠運用于惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點，被廣泛運用到工農業(yè)生產中。但是，交流異步電機的數(shù)學模型是一個非線性、強耦合、多變量的，不能像直流電機那樣對磁通和轉矩分別進行控制調節(jié)，在一定程度上抑制了交流異步電機的運用范圍。在交流電機變頻調速中應用最為廣泛的是pwm控制，可以說pwm控制是交流調速系統(tǒng)的控制核心，任何控制算法的最終實現(xiàn)

18、幾乎都是以各種pwm控制方式來完成的。目前已經提出并得到實際應用的pwm控制方案就不下十幾種，關于pwm控制技術的文章在很多著名的電力電子國際會議上，如pesc、iecon、epe年會上已形成專題，尤其是微處理器應用于pwm技術并使之數(shù)字化以后，花樣更是不斷翻新。從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉矩脈動最小，到消除噪音等，pwm控制技術的發(fā)展經歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進一步證明這項技術的研究方興未艾。其中，高性能交流調速系統(tǒng)有：u/f恒定、速度開環(huán)控制的通用變頻調速系統(tǒng)和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，這些雖然基本上

19、解決了異步電機平滑調速的問題，然而，當生產機械對調速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能提出更高要求時，上述控制系統(tǒng)還是比直流調速系統(tǒng)略遜一籌。主要原因在于，其系統(tǒng)控制的規(guī)律是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉矩公式出發(fā)推導出穩(wěn)態(tài)值控制，完全不考慮過渡過程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動及低速時轉矩動態(tài)響應等方面的性能尚不能令人滿意?？紤]到異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準確控制電磁轉矩，但若以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標，利用從靜止坐標系到旋轉坐標系之間的變換，則可以把定子電流中勵磁電流分量與轉矩電流分量變成標量獨立開來，進行分別控制。通過坐標變換重建異步電機的數(shù)學模型，可以使得

20、異步電機等效于直流電機，從而象控制直流電機那樣進行快速的轉矩和磁通控制，即矢量控制，又稱為磁場定向控制。與矢量控制不同的是，直接轉矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉坐標變換，而是簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的基于dsp的交流電機變頻調速系統(tǒng)研究和實現(xiàn)磁鏈和轉矩，并與給定值比較得出差值，實現(xiàn)磁鏈和轉矩的直接控制。盡管矢量控制與直接轉矩控制使交流調速系統(tǒng)的性能有了較大的提高，但是還有許多領域有待研究，比如：磁通的準確估計和觀測、無速度傳感器的控制方法、電機參數(shù)的在線辨識、極低轉速包括零速下的電機控制、電壓重構與死區(qū)補償策略、多電平逆變器的高性能控制策略等更新更優(yōu)的

21、控制理論和控制策略。1.2.3 全數(shù)字化高性能微處理器運用于電機控制隨著計算機技術和電力電子器件制造技術的發(fā)展以及新型電路變換器的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論向交流調速領域的不斷滲透，特別是微型計算機及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機調速技術正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，為了滿足現(xiàn)代人們對數(shù)字化信息的依賴，為了使交流調速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結合，為了提高交流調速系統(tǒng)自身的性能，必須實現(xiàn)交流調速系統(tǒng)的全數(shù)字化控制。單片機在交流調速系統(tǒng)中已經得到了廣泛地應用。例如由intel公司1983年開發(fā)生產的mcs-96系列是目前性能較高的單片機系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。其高檔型：8196kb、8

22、196kc、8196mc等在通用開環(huán)交流調速系統(tǒng)中的應用較多。但是由于交流電機控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復雜，這就需要高性能、高速度的新一代微處理器，于是出現(xiàn)了數(shù)字信號處理器dsp(digital signal processing)789。因此，dsp芯片在全數(shù)字化的高性能交流調速系統(tǒng)中找到大展身手的舞臺。dsp芯片生產商主要有：motorola公司、adi公司和ti公司，本課題采用的是ti公司專為電機控制而研發(fā)的tms320f240芯片。在交流調速的全數(shù)字化的過程當中，各種總線也扮演了相當重要的角色。std總線、工業(yè)pc總線、現(xiàn)場總線以及can總線等在交流調速系統(tǒng)的自動化應

23、用領域起到了重要的作用。數(shù)字化控制或稱微機控制，其優(yōu)點是使硬件設計簡化，柔性的控制算法使控制靈活、可靠，更易實現(xiàn)復雜的控制算法，便于故障診斷和監(jiān)視。控制系統(tǒng)的軟件化對cpu芯片提出了更高的要求，為了實現(xiàn)高性能的交流調速，要進行矢量的坐標變換，磁通矢量的在線計算和自適應參數(shù)變化而修正磁通模型，以及內部的加速度、速度、位置的重疊，外環(huán)控制的在線實時調節(jié)等，都需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實時處理大量信息?？梢灶A見，隨著計算機芯片容量的增加和運算速度的加快，交流調速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高。1.2.4 目前變頻技術的發(fā)展趨勢、展望近幾年來對電力電子裝置控制技術的研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應控制

24、、滑?？刂坪腿斯ど窠浘W(wǎng)絡、以及智能控制(如專家系統(tǒng)、模糊控制、遺傳算法、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標意義下的最優(yōu)控制技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等)和無速度傳感器等高動態(tài)性能控制都是研究的熱點，這些研究必將把交流調速技術發(fā)展到一個新的水平。交流變頻調速控制系統(tǒng)廣泛應用于機械、冶金、礦山、化工、石油、紡織、造紙、印染、水泥、船舶、鐵路等行業(yè)，是最有發(fā)展前途的一種調速控制方式。從總體上看我國電氣傳動的技術水平較國際先進水平差距1015年，就目前而言，盡管變頻調速系統(tǒng)的研發(fā)在國內還比較活躍，但是市場上的絕大部分產品還是被國外產品所占據(jù)，為此，我們需要密切關注國際變頻調速技術發(fā)

25、展的趨勢，緊跟著國內市場的需求，加快國內變頻調速系統(tǒng)的發(fā)展，努力研制出自己的產品。1.3 本文的主要內容本課題主要是運用一種新型的電機專用控制芯片tms320f2812 dsp設計了中小功率變頻調速系統(tǒng)的控制板，并進行了抗干擾措施的分析討論。本論文的章節(jié)安排：第一章緒論，介紹了本課題研究的背景、方法及發(fā)展趨勢；第二章介紹了矢量控制的原理及實現(xiàn)，以及svpwm原理；第三章主要講了變頻系統(tǒng)控制板的硬件設計，介紹了電源電路、通信接口電路以及調理板電路設計；第四章對控制板的pcb進行設計；第五章對硬件和軟件抗干擾做了簡要介紹。2. 矢量控制原理概述2.1 轉子磁鏈定向條件下的電機模型異步電動機經過坐標

26、變換可以等效成直流電動機，所以模仿直流電動機的控制策略，就可以控制這個等效的“直流電動機”從而獲得較好的轉矩特性，也就能夠較好地控制異步電動機的電磁轉矩了。由于進行坐標變換的是電流(代表磁動勢)的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量控制系統(tǒng)。由于是以轉子磁鏈的方向作為m軸的方向，學術界也將這種控制策略稱為轉子磁鏈定向4。異步電機矢量控制調速系統(tǒng)的控制方式比較復雜，首先建立一個適當?shù)臄?shù)學模型對其進行分析。在忽略磁飽和、渦流及鐵芯損耗且假定電機定轉子三相繞組完全對稱的前提下，建立異步電機的坐標系，在該坐標系中分別標出了abc三相靜止坐標系、兩相靜止坐標系和以(相對于a相繞組軸線)

27、旋轉的dq旋轉坐標系5，坐標系如圖2-1所示。圖2-1 異步電機的坐標系在dq坐標系下分析轉子磁鏈定向時異步電機的模型以及以轉子磁鏈定向的作用，選擇，作為狀態(tài)變量。則電壓方程為： (2-1)在進行兩相同步旋轉坐標變換時只規(guī)定了d，q兩軸的相互垂直關系和與定子頻率同步的旋轉速度，并未規(guī)定兩軸與電機旋轉磁場的相對位置。如果取d軸沿轉子磁鏈矢量r的方向，稱之為m(magnetization)軸，而q軸為逆時針轉90，即垂直于矢量r，稱之為t(torque)軸，這樣的兩相同步旋轉坐標系就具體規(guī)定為mt坐標系，即按轉子磁鏈定向的旋轉坐標系6。由于是是轉子磁鏈r的方向作為m軸的方向，此時應有： (2-2)

28、 (2-3) 將上式帶入轉矩方程式和式，并用m，t替代d，q，可得此時電磁轉矩和電方程分別為： (2-4) (2-5)式(2-5)中，由于r=0，矩陣的第3列可改寫為零。對于滑差頻率，由第4行可得： (2-6)同時，由式(2-5)第3行可得： (2-7)式(2-7)表明，轉子磁鏈r僅由定子電流勵磁分量ism產生，與轉矩分量ist無關，從這個意義上看，定子電流的勵磁分量與轉矩分量是解耦的，而且rm與ist之間的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)tr為轉子時間常數(shù)，當勵磁電流分量ism突變時，r的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電動機勵磁繞組的慣性作用是一致的。由式(2-4)可知，te同時受到變

29、量ist和rm的影響，仍然是耦合的。rm=|r|=const條件下電磁轉矩te與轉矩電流分量ist變成了線性關系，因此，對轉矩的控制問題就轉化為對轉矩電流分量的控制問題。此外，由電機原理知，為了輸出最大轉矩，通常需要使電機工作在額定磁鏈狀態(tài)。注意到在rm=|r|=const條件下，可由式(2-6)得到以下等式： (2-8)如圖2-2所示，由于參數(shù)ls的值非常小，可以忽略耦合項1ls對各軸的影響，所以rm=const條件下電機可被分為兩個相互基本獨立并具有以下特征的子系統(tǒng)。(1) 由電壓分量usm作為輸入、定子電流的勵磁分量ism決定的勵磁子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)可以保證電機工作在設計的額定勵磁值附近，

30、這樣電機可輸出最大的電磁轉矩。(2) 由電壓分量ust作為輸入、定子電流的轉矩分量ist作為輸出的轉矩子系統(tǒng)，轉矩分量ist與轉矩te為線性關系。圖2-2中的項(lm/lr)rmr正比于轉子轉速，該項相當于他勵直流電機的反電勢。在mt坐標系下電機電壓方程仍有4個獨立狀態(tài)變量，即定子電流ist，ism轉子磁鏈矢量的幅值rm和位置r。圖2-2 tm坐標上rm=|r|=const條件下異步電機的模型2.2 轉子磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統(tǒng)的算法根據(jù)公式(2-1)與公式(2-7)等價性，利用式(2-7)得到的滑差頻率計算磁鏈的位置，利用式(2-8)求得磁鏈幅值。這樣構成的系統(tǒng)反而會簡單一些。如圖2-3所

31、示，目的是求得轉子磁鏈幅值rm和磁鏈位置r以在控制器中重構域電機相同的mt模型。設電機的tr已知，則可在控制器中設定tr*=tr，由于電機的定子電流is可測，由式可得轉差角頻率： (2-9) (a) 控制器中的模型示意 (b) 實際電機模型示意圖2-3 電機中的mt坐標和控制器中的mt坐標此外，在系統(tǒng)中一般設計定制電流閉環(huán)以使得： ，即， (2-10)所以一般在工程上有： (2-11)式中，rm*為轉子磁鏈幅值的指令值，其額定值可根據(jù)電機的參數(shù)求得。由于轉子轉速s可被檢測，所以轉子磁鏈的位置可由式(2-11)得出： (2-12)對于異步電機，由于其轉子磁鏈的初始位置r(0)是由定子電流決定的，

32、如果在系統(tǒng)運行開始時就采用矢量控制，可以認為r(0)=0。所以在tr*=tr和is*=is的條件下，依據(jù)式(2-9)可以通過控制器內的間接運算得到轉子磁鏈的位置7。 (2-13)得到磁鏈位置r后，可以通過旋轉變換得到勵磁電流分量ism，進而可以根據(jù)式求得rm*并實施反饋控制，間接控制矢量結構如圖2-4所示。 圖2-4 間接矢量控制框圖(1) 轉速調節(jié)器asr的輸出是轉矩指令te*，由矢量控制方程式可求出定子電流轉矩分量轉差頻率給定信號s*可由式(2-11)計算，而轉矩電流分量ist*由式的變形即式(2-14)得到： (2-14)(2) 由式(2-11)用轉差頻率給定信號s*與測得的轉子轉速，可

33、以計算出轉子磁鏈的位置r*。(3) 定子電流勵磁分量給定信號ism*和轉子磁鏈給定信號r*之間的關系如式(2-7)所示。運行時如果設定rm*=const，就可以將式中比例微分環(huán)節(jié)省略，用ism*=rm*/lm得到ism*。此外，在條件下，某些控制方案化簡式(2-10)和式(2-11)，按下式計算s*和ist*。 (2-15) (2-16)(4) 檢測出的定子電流經3/2變換和旋轉變換后得到mt軸上的ism istt，并由此構成電流反饋控制。(5) mt軸的電流調節(jié)器acr的輸出為ism istt，經旋轉反變換之后作為電壓型逆變器的控制信號，在圖中用2r/sv表示。(6) 圖所示系統(tǒng)的電流控制在

34、mt坐標系上進行。由于穩(wěn)態(tài)時為直流形態(tài)，并且由圖2-4可知電流環(huán)的傳函簡單，因此使用pi調節(jié)器就可以獲得較好的電流響應，也就是獲得較優(yōu)良的轉矩動態(tài)響應。間接型矢量控制系統(tǒng)的磁場定向由磁鏈和轉矩的給定信號和速度檢測值確定、靠無靜差的電流環(huán)保證，并沒有采用磁鏈模型實際計算轉子磁鏈及其相位，所以屬于間接的磁場定向。此外，轉矩控制的效果取決于電流控制的快速性與精度以及控制器中的轉子轉差角頻率s*是否與電機的真值s相等。2.3 坐標變換技術異步電動機的數(shù)學模型之所以復雜，是因為有一個復雜的66電感矩陣，它體現(xiàn)了影響磁鏈和受磁鏈影響的復雜關系，要簡化數(shù)學模型，需從簡化磁鏈關系入手。由圖2-1可知，電機方程

35、式除了用三相靜止坐標系表示外，還可以用其它坐標來表示，如兩相靜止坐標系，兩相旋轉坐標系，根據(jù)本章設計需要，列出2s/2r變換和3s/2r變換的關系如下：2.3.1 三相靜止/任意二相旋轉坐標系上的變換(3s/2r變換)三相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換矩陣和逆變換矩陣如下13： (2-17) (2-18)式(2-17)和式(2-18)中，為兩相旋轉坐標系d軸和三相靜止坐標系a軸之間的夾角，旋轉速度為=p。2.3.2 二相靜止/二相旋轉變換(2s/2r變換)二相靜止坐標系、和二相旋轉坐標系m、t之間的變換稱作二相/二相旋轉變換，簡稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉。其中軸與軸是靜止的

36、，軸與m軸的夾角隨時間而變化。二相靜止坐標系到二相旋轉坐標系的互換變換矩陣是8： (2-19) (2-20)2.4 空間電壓矢量調制(svpwm)交流電動機中把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的工作，這種控制方法稱做磁鏈跟蹤控制，磁鏈軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量pwm控制”即svpwm控制9。svpwm從交流電機角度出發(fā)，從電機中產生的實際磁鏈矢量逼近跟蹤定子磁鏈的給定軌跡理想磁鏈圓。此方法在電壓利用率、電流諧波和過調制等方面具有優(yōu)勢，而對零矢量的合理控制可以明顯地降低逆變器的開關損耗?？臻g電壓矢量分布如圖2-5所示。其中，稱為零矢

37、量，起平衡開關狀態(tài)，減小損耗作用。如圖2-5所示，在兩相靜止坐標系、下，uref在一個載波周期ts中的作用效果為，uref所在的扇區(qū)由u和u決定，由兩相/三相坐標變換可得：(3-21)圖2-5 空間電壓矢量分布圖當ua0時，令a=1，否則a=0；當ub0時，令b=1，否則b=0；當uc0時，令c=1，否則c=0。則扇區(qū)n=a+2b+4c，n與所屬扇區(qū)的對應關系如表2-1所示。表2-1 扇區(qū)表n315462所屬扇區(qū)空間矢量作用時間的計算：(2-22)則某扇區(qū)內一個pwm周期內兩個非零矢量的作用時間如表2-2所示。表2-2 非零矢量作用時間表扇區(qū)號t1zy-z-xx-yt2y-xxz-y-zt1和

38、t2求出后，還要對其進行飽和判斷，若t1+t2ts，則定義為：(2-23)確定電壓空間矢量切換點tcm1，tcm2，tcm3定義為：(2-24)則在不同扇區(qū)tcm1，tcm2，tcm3內根據(jù)表2-3進行賦值。表2-3 切換點賦值表所屬扇區(qū)tcm1tbta ta tc tc tb tcm2ta tc tb tb ta tc tcm3tc tb tc ta tb ta 3. 變頻系統(tǒng)控制板的硬件設計3.1 tms320f2812簡介3.1.1 tms320f2812 dsp簡介在選用dsp作為交流異步電機變頻調速控制系統(tǒng)的微處理器，主要是因為德州儀器公司(ti)的dsp產品以及相配套的技術和開發(fā)環(huán)

39、境在其運用領域具有較強的競爭力，在tms320系列的控制芯片中，有專門為逆變器和控制器、電動機、機器人、數(shù)控機床、汽車系統(tǒng)等控制系統(tǒng)而設計的tms320c/f24x系列。本課題采用的是tms320f2812的32bit定點dsp，它將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，它可產生pwm信號來控制電機的轉速、轉向，可支持指令的產生、控制算法的處理、數(shù)據(jù)的交流和系統(tǒng)控制等功能，因此被廣泛應用于自動化系統(tǒng)、工業(yè)電機驅動系統(tǒng)等。tms320f2812具有如下特點6：(1) tms320f2812主要是應用高性能的靜態(tài)cmos技術生產的；(2) 采用tms320c2xx的cpu為內核：有32位中央邏輯運

40、算單元(calu)，內含32位累加器acc，16位16位并行乘法器，8個16位輔助寄存器；(3) 帶有544字節(jié)的16位片上數(shù)據(jù)/程序雙向ram，同時還帶有16k字節(jié)的flash eeprom；(4) 指令周期為50ns(20mips)；(5) 雙向的10位串行數(shù)模轉換器，采樣速率可以達到166khz，精度達到210即1024；(6) 帶有功能強大的事件管理器：3個通用定時器、3個全比較單元、3個單比較單元、pwm脈寬調制電路、事件管理器模塊中斷控制電路、4個捕獲單元以及qep正交編碼脈沖電路；(7) 帶有串行通訊接口模塊(sci)、串行外設接口模塊(spi)、數(shù)字i/o端口模塊、can控制器

41、模塊，便于與外部設備通訊；(8) 中斷管理系統(tǒng)和系統(tǒng)監(jiān)視模塊，帶有實時中斷看門狗電路；(9) 支持jtag硬件仿真；(10) 采用哈佛結構，帶有8級硬件堆棧、6個外部中斷和4級流水線操作，每條指令的執(zhí)行過程可分為：取指令、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行指令四個步驟，由于dsp內部采用的是多總線結構，這就使得cpu可以同時進行程序指令和存儲數(shù)據(jù)的訪問，從而在內部實現(xiàn)了4級邏輯流水線操作，同時由于這四級流水線操作在同一時刻分別使用的是內部六條總線，因此并不會發(fā)生任何沖突，于是實現(xiàn)了四級流水線并行處理，大大提高了信息的處理速度；(11) 同時還帶有工業(yè)溫度標準、自動溫度獲取功能。3.1.2 程序編寫和調試對2

42、000系列dsp的開發(fā)環(huán)境而言，ti公司提供了一系列的軟件和硬件平臺，為用戶建立了較好的開發(fā)環(huán)境，其中，主要包括宏匯編器/連接器、軟件仿真、c編譯器、evm評估板和仿真器以及相配套的開發(fā)工具。其開發(fā)工具可以分為代碼生成工具和代碼調試工具兩大類，代碼生成工具的作用是將c或匯編語言編寫的dsp程序編譯并鏈接成為可執(zhí)行程序，代碼調試工具的作用是對dsp程序及系統(tǒng)進行調試，使編寫的程序達到設計目標9。ti公司提供的cc2000開發(fā)環(huán)境可以進行軟件仿真，在pc機上正確安裝好cc2000的4.10版本仿真軟件，在桌面上將會出現(xiàn)兩個快捷方式，先配置“setupccc2000”選擇編譯器的運行環(huán)境(c2xx

43、simulator)；而“ccc2000”則是程序調試的仿真環(huán)境。該軟件同時支持匯編和c語言的開發(fā)，一般的程序調試主要包括如下幾個方面：源程序(.asm或者.c)是實現(xiàn)dsp要完成的功能，按編碼塊、數(shù)據(jù)塊的格式編寫，主要由以下幾部分組成：(1) 文本段：.text，通常包含可執(zhí)行代碼；(2) 數(shù)據(jù)段：.data，通常包含已初始化的數(shù)據(jù)；(3) 預留段：.bss，通常為未初始化的數(shù)據(jù)保留空間；(4) 另外，還可以.usect，.sect或.asect偽指令創(chuàng)建命名段。命令文件(.cmd文件)是實現(xiàn)對存儲器的程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間的分配，用memory和sections偽指令創(chuàng)建。memo

44、ry偽指令是用來標識實際存在目標系統(tǒng)中且可被使用的存儲器范圍，每個存儲器范圍由具體名稱、起始地址和長度組成。將編寫好的源程序和命令文件放在同一文件夾，然后新建一個project文件，將源程序(.asm或者.c)和命令文件(.cmd文件)添加進來，同時將應用的頭文件(.h)放在project目錄下，若有c編寫的程序，還要添加庫文件(.lib)，設定系統(tǒng)的gel(.gel)文件，從而就可以進行編譯產生目標文件(.obj)和匯編列表文件(.lst)。使用鏈接器將目標文件和命令文件中的信息組合在一起，產生可執(zhí)行輸出文件(.out)和映射文件(.map)。運行.out文件便可以進行軟件調試，調試過程中可

45、以進行單步運行、設置斷點和探針、查看被訪問的寄存器和存儲器等等。同時需要指出的是：(.h)頭文件，一般用于定義程序中的函數(shù)、參數(shù)、變量和一些宏單元，同庫函數(shù)配合使用，因此，在使用庫時，必須用相對應的頭文件說明。gel文件的功能同emuinit.cmd的功能基本相同，用于初始化dsp，但它的功能比emuinit的功能有所增強，gel在cc2000下有一個菜單，可以根據(jù)dsp的對象不同，設置不同的初始化程序。3.2 電源電路設計tms320lf2812是低功耗芯片，所有引腳除了vccp在對flash進行編程時接5v以外，其他供電電源引腳供電電壓均為3.3v。而3.3v電源一般需要通過5v電源變換得

46、到，本設計采用美國ti公司生產的電源管理芯片的tps7333將外部輸入的5v電壓轉換為3.3v，為dsp和cpld器件等需要3.3v電壓的元件供電22。in端是電壓輸入端，輸入電壓可以是4.3v-10v之間，out端是電壓輸出端，在25時的典型值是3.3v，在-40125之間，輸出電壓最小為3.23v，最大為3.37v。tps7333具有極低的靜態(tài)電流，典型值為285ma，輸出電流可達500ma，具有power good(電源好)指示功能，電源電路如圖3-5所示。圖3-5 電源管理電路3.3 存儲器擴展電路設計(1) ram擴展電路tms320lf2812內部數(shù)據(jù)存儲器空間2k，程序空間32k

47、。但在本系統(tǒng)中，2k數(shù)據(jù)空間不能滿足大量數(shù)據(jù)處理的需要，因此需要擴展數(shù)據(jù)空間。在使用仿真器下載調試程序的過程中，如果沒有外部程序存儲器，控制程序改動后只能通過燒寫方式進行驗證，這不僅給程序開發(fā)帶來了不便，并對dsp芯片使用壽命產生影響，因此為了調試的方便需要外擴程序存儲器。本設計選用了cy7c1021vc33(44)同時作為dsp的外擴數(shù)據(jù)、程序儲存器，該芯片是一個64k16 的靜態(tài)sram，在這里將該芯片分為兩個32k的空間來進行儲存。該芯片的工作電壓3.3v，是高性能的、cmos靜態(tài)ram，存儲速率快23,24。因為本設計將該芯片同時作為數(shù)據(jù)或者程序儲存器來使用，所以對其使能端的設置很重要

48、。對cy7c1021vc33(44)的基本操作有兩種：使能的同時進行讀和寫。當輸入信號以及同時為低電平的時候，選通該芯片并進行寫操作。同樣以及同時為低電平的時候，選通該芯片并進行讀操作。在此將使能端接地始終使能，就是始終選通芯片。在存儲的時候，需要程序操作或者是數(shù)據(jù)操作兩種方式。所以要將使能信號和ds(數(shù)據(jù)空間選通)進行一個邏輯選擇，接著就可以對外擴展空間進行程序或者數(shù)據(jù)的操作。而經過一個邏輯門以后使能信號才能到達cy7c1021，由于芯片的速度很高，同時輸入進來的地址信號就可能不被正確識別。因此使用了a15來實現(xiàn)這個功能。將a15 地址線和相連接，當需要使用程序空間的時候，輸出高電平，程序將

49、訪問高地址空間，相反，將訪問低地址的數(shù)據(jù)空間，這樣就實現(xiàn)了分開訪問的功能。ram擴展電路如圖3-7所示。(2) eeprom擴展電路由于電動變槳控制器經常需要在現(xiàn)場的時候改變參數(shù)或設置，并在調試完畢后將參數(shù)保存，這就要用到電可擦寫的eeprom。xicor公司的x5043是帶有4k位spi接口的eeprom，一個芯片同時具有四個功能：上電復位控制、看門狗定時器、電源電壓監(jiān)視和塊保護的串行eeprom存儲器10。該存儲器可讀/寫100萬次，數(shù)據(jù)可保持100年。在此只介紹其eeprom功能。x5043有多種封裝，有5v和3.3v供電的型號。tms320lf2407a采用3.3v供電，因此本設計選擇

50、3.3v供電的型號。圖3-7 ram擴展電路引腳說明：1腳()為片選，2腳(so)為串行輸出，3腳()為寫保護(接高電平時不保護)，4腳為地，5腳(si)為串行數(shù)據(jù)輸入，6腳(sck)為時鐘，7腳()為復位輸出，8腳接電源。x5043和dsp的接口如圖3-8所示。圖3-8 串行eeprom3.4 通訊接口電路設計(1) can通信接口電路控制器局部網(wǎng)(can-controller area network)屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡，隨著現(xiàn)代風力發(fā)電機組需要監(jiān)測與控制的節(jié)點增多，can總線以其實時性好、可靠性高、抗干擾能力強的特點凸現(xiàn)了出來。can在

51、風力發(fā)電機組變槳控制中可以實現(xiàn)電動變槳控制器與變槳上位主控器之間的通信。針對ti公司tms320lf2407a內嵌的can 模塊的方便性和實用性11，本設計采用了can總線進行變槳控制器與上位主控制器的實時收發(fā)數(shù)據(jù)，并根據(jù)各自郵箱的標識符判別數(shù)據(jù)是接收還是丟棄。本設計可擴展性強，只需要在can總線上掛接帶有can模塊的控制器即可增加節(jié)點個數(shù)。can收發(fā)器選取了sn65hvd230，該芯片是ti公司生產的3.3vcan總線收發(fā)器，具有差分收發(fā)能力12，最高速率可達1mb/s。在本設計中，sn65hvd230是用來驅動tms320lf2812和物理總線間的接口，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。將收

52、發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端d與dsp的cantx相連，用于本can節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到can網(wǎng)絡中；將收發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出端r與dsp的canrx與相連，用于本節(jié)點接收數(shù)據(jù)。rs引腳為該收發(fā)器的方式選擇引腳，只需將rs接邏輯低電平就可以使其工作在高速模式，此時的通信速率達到最高，沒有內部輸出上升斜率和下降斜率的限制，但最大速率的限制與電纜的長度有關，本設計中將rs接地。由于sn65hvd230提供3.3v電源供電，與lf2407a的供電電壓相同，因此不需要做電平轉換的處理。can總線電路如圖3-9所示。圖3-9 can總線電路 (2) rs232通信接口電路考慮到在變槳距控制器實驗與測試階段可以將其與pc進

53、行串行通訊，在此設計了rs232的通信模塊電路。tms320lf2812提供了串行通信接口sci模塊，包括兩個i/o引腳，分別是串行接收數(shù)據(jù)輸入引腳(scirxd)和串行數(shù)據(jù)輸出引腳(scitxd)。sci支持cpu與其他使用標準nrz(非歸零)格式的異步外設之間的數(shù)據(jù)通信，sci收發(fā)器是雙緩沖的，每個都有自己獨立的使能和中斷標志位，兩者既可以獨立工作，也可以在全雙工模式下同時工作。通過對一個16位波特率選擇寄存器的編程，可得到64 k種不同的波特率。對于40mhz的時鐘輸出，波特率最高可達到2500kb/s的速度。本設計中采用max232芯片作為控制器的異步串行通信轉換接口。max232是符

54、合rs232標準的串行通信驅動芯片，其低功耗關斷模式可以將功耗減小到5w以內。在設計中需要注意的是，由于rs232是單5v供電器件，所以它同dsp間的信號線必須有電平轉換，此板采用的是74ls2455。rs232的接口電路如圖3-10所示。圖3-10 rs232接口電路3.5 調理板電路設計本課題中，信號調理電路板就是接受來自傳感器及編碼器信號的電路板，該電路板將采集的信號轉換成控制板a/d能夠直接識別的信號后，送給控制板進行處理。3.5.1 電流采樣調理電路設計電流檢測就是實時檢測三相交流異步電機的定子電流，將定子電流轉化成控制板所能識別的數(shù)字信號。在矢量控制系統(tǒng)中，定子電流的精度和實時性是整個控制系統(tǒng)精度的關鍵，因此控制系統(tǒng)對定子電流的檢測對精度和速度的要求非常高，在本課題中采用萊姆公司lts系列的lem霍爾電流傳感器進行電流的檢測。在此，電流采樣調理電路選取了運算放大器tlc2274，采用了雙減法進行電流采樣。該芯片是ti公司用先進的lincmos工藝制造、具有rail-to-rail輸出能力、滿電源輸出幅度的高性能四運算放大器，它比目前常用的cmos運放有更好的噪聲、功耗和輸入失調電壓性能。tlc2272所具有的低噪聲和高輸入阻抗非常適宜用于諸如電壓/電流傳感器之類的小信號的計算、放大。本設計是將來自lem霍爾電流互感器電壓信號先后施加到tl