基于DSP的異步電動(dòng)機(jī)的變頻系統(tǒng)控制板的硬件設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于dsp的異步電動(dòng)機(jī)的變頻系統(tǒng)控制板的硬件設(shè)計(jì)摘 要隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣傳動(dòng)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(diào)速控制系統(tǒng)以其特有的優(yōu)點(diǎn)正逐步取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速，已經(jīng)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了基于dsp的交流異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先，分析討論了交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的高階、非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出特點(diǎn)，討論了交流電機(jī)的矢量控制。其次，在分析了變頻調(diào)速系統(tǒng)控制器的功能需求基礎(chǔ)上，以ti公司的tms320lf2812作為變頻調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)的核心處理器，進(jìn)行了控制板的電源電路、存儲(chǔ)器電路、通訊

2、以及調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了控制板硬件原理圖和pcb圖。最后，針對(duì)系統(tǒng)多電源、高頻率、弱電與強(qiáng)電等特點(diǎn)，分析了變頻系統(tǒng)的電磁干擾，對(duì)軟、硬件抗干擾措施進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：dsp，磁場(chǎng)定向，交流異步電機(jī)，變頻調(diào)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(shè)計(jì)）誠信聲明本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實(shí)可靠，不包含他人成果及已獲得 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）全部或部分內(nèi)容編入

8、有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）或與該論文（設(shè)計(jì)）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，單位署名為 。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日指 導(dǎo) 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(diào)速技術(shù)發(fā)展概況及其運(yùn)用21.2.1 電力電子技術(shù)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(yùn)用于電機(jī)控制41.2.4 目前變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、展望51.3 本文的主要內(nèi)容52 矢量控制原理概述62.1 轉(zhuǎn)子磁鏈定向條件下的電

9、機(jī)模型62.2 轉(zhuǎn)子磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)的算法92.3 坐標(biāo)變換技術(shù)112.3.1 三相靜止/任意二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的變換(3s/2r變換)112.3.2 二相靜止/二相旋轉(zhuǎn)變換(2s/2r變換)112.4 空間電壓矢量調(diào)制(svpwm)123 變頻系統(tǒng)控制板的硬件設(shè)計(jì)143.1 tms320f2812簡(jiǎn)介143.1.1 tms320f2812 dsp簡(jiǎn)介143.1.2 程序編寫和調(diào)試153.2 電源電路設(shè)計(jì)163.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)173.4 通訊接口電路設(shè)計(jì)183.5 調(diào)理板電路設(shè)計(jì)203.5.1 電流采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì)203.5.2 電壓采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì)214 控制板pcb設(shè)計(jì)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(diào)速系統(tǒng)的電磁干擾275.1.1 電源對(duì)系統(tǒng)的影響275.1.2 瞬態(tài)脈沖對(duì)數(shù)字電路的干擾275.1.3 分布電感、電容對(duì)信號(hào)的影響285.2 硬件抗干擾技術(shù)285.2.1 系統(tǒng)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)285.2.2 接口電路的抗干擾措施295.2.3 ipm電磁兼容設(shè)計(jì)295.2.4 電路板布局設(shè)計(jì)295.2.5 合理布線305.3 軟件抗干擾技術(shù)305.3.1 離散信號(hào)的采樣和濾波315.3.2 模擬信號(hào)的采樣和濾波315.3.3 軟件對(duì)異常情況的處理方法31結(jié)論32致謝33參考文獻(xiàn)341. 緒論1.1 本課題的研究背

11、景和研究意義隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷提高，環(huán)保和能源問題日趨成為人們爭(zhēng)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(gè)國家都投入了大量人力財(cái)力，進(jìn)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(shí)也是浪費(fèi)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(jī)的控制1-2。電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備，它的用途非常廣泛，在現(xiàn)代社會(huì)生活中隨處可見電機(jī)的身影，在發(fā)達(dá)國家中生產(chǎn)的總電能有一半以上是用于電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，這些電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中90%左右的是交流異步電機(jī)。在國內(nèi),電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時(shí)，約

12、占工業(yè)耗電量的80%。并且使用中的電機(jī)絕大部分還是中小型異步電機(jī)，加之設(shè)備的陳舊，管理、控制技術(shù)跟不上，所浪費(fèi)的電能甚多。能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)環(huán)境下，我國能源工業(yè)面臨著經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響，我國能源利用效率比發(fā)達(dá)國家低很多。為此，國家十五計(jì)劃中，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方面投入的資金高達(dá)500億元左右，由此可見，在我國異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)將有巨大的市場(chǎng)潛能。在電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)迅速發(fā)展的今天，電氣傳動(dòng)技術(shù)正面臨著一場(chǎng)歷史性的革命。經(jīng)過了二十多年的

13、發(fā)展，近代交流傳動(dòng)逐漸成為電氣傳動(dòng)的主流。在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最佳的是變頻調(diào)速系統(tǒng)，因此，對(duì)變頻調(diào)速的研究是當(dāng)前電氣傳動(dòng)研究中最為活躍、最有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的工作。變頻器產(chǎn)業(yè)的潛力非常巨大，值得強(qiáng)調(diào)的是，這里的“變頻器產(chǎn)業(yè)”應(yīng)該是“變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)”，或者是inverter technology產(chǎn)業(yè)。正如it產(chǎn)業(yè)不僅限于pc一樣，變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)包括所有與變頻器技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，如電力電子器件的生產(chǎn)、驅(qū)動(dòng)保護(hù)集成電路的生產(chǎn)、電氣傳動(dòng)與系統(tǒng)控制技術(shù)、工業(yè)應(yīng)用等。1.2 交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況及其運(yùn)用近年來，交流調(diào)速在國內(nèi)外發(fā)展十分迅速，打破了過去直流拖動(dòng)在調(diào)速領(lǐng)域中的統(tǒng)治地位，交流調(diào)速拖

14、動(dòng)已進(jìn)入了與直流拖動(dòng)相媲美、相競(jìng)爭(zhēng)、相抗衡的時(shí)代，并有取而代之的趨勢(shì)，這是現(xiàn)代電力拖動(dòng)發(fā)展的主要特征。其主要原因有：電力電子技術(shù)的不斷出新、控制策略和電機(jī)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(shù)的發(fā)展由于交流電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)和運(yùn)用廣泛，其調(diào)速系統(tǒng)早就得到人們的關(guān)注，早期的交流電機(jī)調(diào)速方法，如用繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、鼠籠式異步電機(jī)變極調(diào)速、在定子繞組串電抗器調(diào)速等都存在效率低，不經(jīng)濟(jì)等缺點(diǎn)。交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性早在20世紀(jì)20年代就已被人們所認(rèn)識(shí)，但受到元器件的限制，當(dāng)時(shí)只能用閘流管構(gòu)成逆變器，由于投資大，效率低，體積大而未能推廣。20世

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

16、iented control)變頻調(diào)速，直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torquecontrol)及無速度傳感器控制等。這些變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導(dǎo)體器件的制造水平。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是可關(guān)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(guān)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(jīng)濟(jì)性不斷提高，變頻調(diào)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(jī)的結(jié)構(gòu)可知，直流電機(jī)的電樞磁勢(shì)和電機(jī)的勵(lì)磁是相互正交的， 可以對(duì)電樞的電流

17、和磁通分別進(jìn)行控制，從而能夠得到較理想的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制性能。由于直流電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還存在著換向器或電刷等器件，使得直流電機(jī)的容量受到一定的限制，維護(hù)也不方便。為此，交流異步電機(jī)以其獨(dú)有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、制造成本低、維護(hù)少且方便、能夠運(yùn)用于惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。但是，交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合、多變量的，不能像直流電機(jī)那樣對(duì)磁通和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，在一定程度上抑制了交流異步電機(jī)的運(yùn)用范圍。在交流電機(jī)變頻調(diào)速中應(yīng)用最為廣泛的是pwm控制，可以說pwm控制是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，任何控制算法的最終實(shí)現(xiàn)

18、幾乎都是以各種pwm控制方式來完成的。目前已經(jīng)提出并得到實(shí)際應(yīng)用的pwm控制方案就不下十幾種，關(guān)于pwm控制技術(shù)的文章在很多著名的電力電子國際會(huì)議上，如pesc、iecon、epe年會(huì)上已形成專題，尤其是微處理器應(yīng)用于pwm技術(shù)并使之?dāng)?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(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，到消除噪音等，pwm控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)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(jìn)一步證明這項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。其中，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)有：u/f恒定、速度開環(huán)控制的通用變頻調(diào)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(jī)平滑調(diào)速的問題，然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能提出更高要求時(shí)，上述控制系統(tǒng)還是比直流調(diào)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(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)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(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面的性能尚不能令人滿意。考慮到異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開來，進(jìn)行分別控制。通過坐標(biāo)變換重建異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以使得

20、異步電機(jī)等效于直流電機(jī)，從而象控制直流電機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制，即矢量控制，又稱為磁場(chǎng)定向控制。與矢量控制不同的是，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，而是簡(jiǎn)單地通過檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的基于dsp的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)研究和實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與給定值比較得出差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。盡管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了較大的提高，但是還有許多領(lǐng)域有待研究，比如：磁通的準(zhǔn)確估計(jì)和觀測(cè)、無速度傳感器的控制方法、電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)、極低轉(zhuǎn)速包括零速下的電機(jī)控制、電壓重構(gòu)與死區(qū)補(bǔ)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(yùn)用于電機(jī)控制隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件制造技術(shù)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(diào)速領(lǐng)域的不斷滲透，特別是微型計(jì)算機(jī)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)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(duì)數(shù)字化信息的依賴，為了使交流調(diào)速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結(jié)合，為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能，必須實(shí)現(xiàn)交流調(diào)速系統(tǒng)的全數(shù)字化控制。單片機(jī)在交流調(diào)速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。例如由intel公司1983年開發(fā)生產(chǎn)的mcs-96系列是目前性能較高的單片機(jī)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(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。但是由于交流電機(jī)控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復(fù)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(hào)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(diào)速系統(tǒng)中找到大展身手的舞臺(tái)。dsp芯片生產(chǎn)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(jī)控制而研發(fā)的tms320f240芯片。在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過程當(dāng)中，各種總線也扮演了相當(dāng)重要的角色。std總線、工業(yè)pc總線、現(xiàn)場(chǎng)總線以及can總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)

23、用領(lǐng)域起到了重要的作用。數(shù)字化控制或稱微機(jī)控制，其優(yōu)點(diǎn)是使硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，柔性的控制算法使控制靈活、可靠，更易實(shí)現(xiàn)復(fù)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(duì)cpu芯片提出了更高的要求，為了實(shí)現(xiàn)高性能的交流調(diào)速，要進(jìn)行矢量的坐標(biāo)變換，磁通矢量的在線計(jì)算和自適應(yīng)參數(shù)變化而修正磁通模型，以及內(nèi)部的加速度、速度、位置的重疊，外環(huán)控制的在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等，都需要存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)和快速實(shí)時(shí)處理大量信息。可以預(yù)見，隨著計(jì)算機(jī)芯片容量的增加和運(yùn)算速度的加快，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高。1.2.4 目前變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、展望近幾年來對(duì)電力電子裝置控制技術(shù)的研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制

24、、滑模控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等)和無速度傳感器等高動(dòng)態(tài)性能控制都是研究的熱點(diǎn)，這些研究必將把交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的水平。交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)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(diào)速控制方式。從總體上看我國電氣傳動(dòng)的技術(shù)水平較國際先進(jìn)水平差距1015年，就目前而言，盡管變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)在國內(nèi)還比較活躍，但是市場(chǎng)上的絕大部分產(chǎn)品還是被國外產(chǎn)品所占據(jù)，為此，我們需要密切關(guān)注國際變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)

25、展的趨勢(shì)，緊跟著國內(nèi)市場(chǎng)的需求，加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，努力研制出自己的產(chǎn)品。1.3 本文的主要內(nèi)容本課題主要是運(yùn)用一種新型的電機(jī)專用控制芯片tms320f2812 dsp設(shè)計(jì)了中小功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制板，并進(jìn)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(shì)；第二章介紹了矢量控制的原理及實(shí)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(shè)計(jì)，介紹了電源電路、通信接口電路以及調(diào)理板電路設(shè)計(jì)；第四章對(duì)控制板的pcb進(jìn)行設(shè)計(jì)；第五章對(duì)硬件和軟件抗干擾做了簡(jiǎn)要介紹。2. 矢量控制原理概述2.1 轉(zhuǎn)子磁鏈定向條件下的電機(jī)模型異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)

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

27、旋轉(zhuǎn)的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系5，坐標(biāo)系如圖2-1所示。圖2-1 異步電機(jī)的坐標(biāo)系在dq坐標(biāo)系下分析轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)異步電機(jī)的模型以及以轉(zhuǎn)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(jìn)行兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換時(shí)只規(guī)定了d，q兩軸的相互垂直關(guān)系和與定子頻率同步的旋轉(zhuǎn)速度，并未規(guī)定兩軸與電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)位置。如果取d軸沿轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縭的方向，稱之為m(magnetization)軸，而q軸為逆時(shí)針轉(zhuǎn)90，即垂直于矢量r，稱之為t(torque)軸，這樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系就具體規(guī)定為mt坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系6。由于是是轉(zhuǎn)子磁鏈r的方向作為m軸的方向，此時(shí)應(yīng)有： (2-2)

28、 (2-3) 將上式帶入轉(zhuǎn)矩方程式和式，并用m，t替代d，q，可得此時(shí)電磁轉(zhuǎn)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(duì)于滑差頻率，由第4行可得： (2-6)同時(shí)，由式(2-5)第3行可得： (2-7)式(2-7)表明，轉(zhuǎn)子磁鏈r僅由定子電流勵(lì)磁分量ism產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量ist無關(guān)，從這個(gè)意義上看，定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)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(shí)間常數(shù)tr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，當(dāng)勵(lì)磁電流分量ism突變時(shí)，r的變化要受到勵(lì)磁慣性的阻撓，這和直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的慣性作用是一致的。由式(2-4)可知，te同時(shí)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(zhuǎn)矩te與轉(zhuǎn)矩電流分量ist變成了線性關(guān)系，因此，對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制問題就轉(zhuǎn)化為對(duì)轉(zhuǎn)矩電流分量的控制問題。此外，由電機(jī)原理知，為了輸出最大轉(zhuǎn)矩，通常需要使電機(jī)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(xiàng)1ls對(duì)各軸的影響，所以rm=const條件下電機(jī)可被分為兩個(gè)相互基本獨(dú)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(lì)磁分量ism決定的勵(lì)磁子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)可以保證電機(jī)工作在設(shè)計(jì)的額定勵(lì)磁值附近，

30、這樣電機(jī)可輸出最大的電磁轉(zhuǎn)矩。(2) 由電壓分量ust作為輸入、定子電流的轉(zhuǎn)矩分量ist作為輸出的轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩分量ist與轉(zhuǎn)矩te為線性關(guān)系。圖2-2中的項(xiàng)(lm/lr)rmr正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，該項(xiàng)相當(dāng)于他勵(lì)直流電機(jī)的反電勢(shì)。在mt坐標(biāo)系下電機(jī)電壓方程仍有4個(gè)獨(dú)立狀態(tài)變量，即定子電流ist，ism轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆祌m和位置r。圖2-2 tm坐標(biāo)上rm=|r|=const條件下異步電機(jī)的模型2.2 轉(zhuǎn)子磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)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(jià)性，利用式(2-7)得到的滑差頻率計(jì)算磁鏈的位置，利用式(2-8)求得磁鏈幅值。這樣構(gòu)成的系統(tǒng)反而會(huì)簡(jiǎn)單一些。如圖2-3所

31、示，目的是求得轉(zhuǎn)子磁鏈幅值rm和磁鏈位置r以在控制器中重構(gòu)域電機(jī)相同的mt模型。設(shè)電機(jī)的tr已知，則可在控制器中設(shè)定tr*=tr，由于電機(jī)的定子電流is可測(cè)，由式可得轉(zhuǎn)差角頻率： (2-9) (a) 控制器中的模型示意 (b) 實(shí)際電機(jī)模型示意圖2-3 電機(jī)中的mt坐標(biāo)和控制器中的mt坐標(biāo)此外，在系統(tǒng)中一般設(shè)計(jì)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(zhuǎn)子磁鏈幅值的指令值，其額定值可根據(jù)電機(jī)的參數(shù)求得。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速s可被檢測(cè)，所以轉(zhuǎn)子磁鏈的位置可由式(2-11)得出： (2-12)對(duì)于異步電機(jī)，由于其轉(zhuǎn)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(yùn)行開始時(shí)就采用矢量控制，可以認(rèn)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(nèi)的間接運(yùn)算得到轉(zhuǎn)子磁鏈的位置7。 (2-13)得到磁鏈位置r后，可以通過旋轉(zhuǎn)變換得到勵(lì)磁電流分量ism，進(jìn)而可以根據(jù)式求得rm*并實(shí)施反饋控制，間接控制矢量結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。 圖2-4 間接矢量控制框圖(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出是轉(zhuǎn)矩指令te*，由矢量控制方程式可求出定子電流轉(zhuǎn)矩分量轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào)s*可由式(2-11)計(jì)算，而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)差頻率給定信號(hào)s*與測(cè)得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可

33、以計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈的位置r*。(3) 定子電流勵(lì)磁分量給定信號(hào)ism*和轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號(hào)r*之間的關(guān)系如式(2-7)所示。運(yùn)行時(shí)如果設(shè)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(jiǎn)式(2-10)和式(2-11)，按下式計(jì)算s*和ist*。 (2-15) (2-16)(4) 檢測(cè)出的定子電流經(jīng)3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換后得到mt軸上的ism istt，并由此構(gòu)成電流反饋控制。(5) mt軸的電流調(diào)節(jié)器acr的輸出為ism istt，經(jīng)旋轉(zhuǎn)反變換之后作為電壓型逆變器的控制信號(hào)，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(biāo)系上進(jìn)行。由于穩(wěn)態(tài)時(shí)為直流形態(tài)，并且由圖2-4可知電流環(huán)的傳函簡(jiǎn)單，因此使用pi調(diào)節(jié)器就可以獲得較好的電流響應(yīng)，也就是獲得較優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)。間接型矢量控制系統(tǒng)的磁場(chǎng)定向由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)和速度檢測(cè)值確定、靠無靜差的電流環(huán)保證，并沒有采用磁鏈模型實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈及其相位，所以屬于間接的磁場(chǎng)定向。此外，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角頻率s*是否與電機(jī)的真值s相等。2.3 坐標(biāo)變換技術(shù)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的66電感矩陣，它體現(xiàn)了影響磁鏈和受磁鏈影響的復(fù)雜關(guān)系，要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，需從簡(jiǎn)化磁鏈關(guān)系入手。由圖2-1可知，電機(jī)方程

35、式除了用三相靜止坐標(biāo)系表示外，還可以用其它坐標(biāo)來表示，如兩相靜止坐標(biāo)系，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，根據(jù)本章設(shè)計(jì)需要，列出2s/2r變換和3s/2r變換的關(guān)系如下：2.3.1 三相靜止/任意二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的變換(3s/2r變換)三相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸和三相靜止坐標(biāo)系a軸之間的夾角，旋轉(zhuǎn)速度為=p。2.3.2 二相靜止/二相旋轉(zhuǎn)變換(2s/2r變換)二相靜止坐標(biāo)系、和二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系m、t之間的變換稱作二相/二相旋轉(zhuǎn)變換，簡(jiǎn)稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)。其中軸與軸是靜止的

36、，軸與m軸的夾角隨時(shí)間而變化。二相靜止坐標(biāo)系到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的互換變換矩陣是8： (2-19) (2-20)2.4 空間電壓矢量調(diào)制(svpwm)交流電動(dòng)機(jī)中把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)角度出發(fā)，從電機(jī)中產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶勘平櫠ㄗ哟沛湹慕o定軌跡理想磁鏈圓。此方法在電壓利用率、電流諧波和過調(diào)制等方面具有優(yōu)勢(shì)，而對(duì)零矢量的合理控制可以明顯地降低逆變器的開關(guān)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(guān)狀態(tài)，減小損耗作用。如圖2-5所示，在兩相靜止坐標(biāo)系、下，uref在一個(gè)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(biāo)變換可得：(3-21)圖2-5 空間電壓矢量分布圖當(dāng)ua0時(shí)，令a=1，否則a=0；當(dāng)ub0時(shí)，令b=1，否則b=0；當(dāng)uc0時(shí)，令c=1，否則c=0。則扇區(qū)n=a+2b+4c，n與所屬扇區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)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(shí)間的計(jì)算：(2-22)則某扇區(qū)內(nèi)一個(gè)pwm周期內(nèi)兩個(gè)非零矢量的作用時(shí)間如表2-2所示。表2-2 非零矢量作用時(shí)間表扇區(qū)號(hào)t1zy-z-xx-yt2y-xxz-y-zt1和

38、t2求出后，還要對(duì)其進(jìn)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(diǎn)tcm1，tcm2，tcm3定義為：(2-24)則在不同扇區(qū)tcm1，tcm2，tcm3內(nèi)根據(jù)表2-3進(jìn)行賦值。表2-3 切換點(diǎn)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(shè)計(jì)3.1 tms320f2812簡(jiǎn)介3.1.1 tms320f2812 dsp簡(jiǎn)介在選用dsp作為交流異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的微處理器，主要是因?yàn)榈轮輧x器公司(ti)的dsp產(chǎn)品以及相配套的技術(shù)和開發(fā)環(huán)

39、境在其運(yùn)用領(lǐng)域具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，在tms320系列的控制芯片中，有專門為逆變器和控制器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、汽車系統(tǒng)等控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的tms320c/f24x系列。本課題采用的是tms320f2812的32bit定點(diǎn)dsp，它將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，它可產(chǎn)生pwm信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，可支持指令的產(chǎn)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(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。tms320f2812具有如下特點(diǎn)6：(1) tms320f2812主要是應(yīng)用高性能的靜態(tài)cmos技術(shù)生產(chǎn)的；(2) 采用tms320c2xx的cpu為內(nèi)核：有32位中央邏輯運(yùn)

40、算單元(calu)，內(nèi)含32位累加器acc，16位16位并行乘法器，8個(gè)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(shí)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(zhuǎn)換器，采樣速率可以達(dá)到166khz，精度達(dá)到210即1024；(6) 帶有功能強(qiáng)大的事件管理器：3個(gè)通用定時(shí)器、3個(gè)全比較單元、3個(gè)單比較單元、pwm脈寬調(diào)制電路、事件管理器模塊中斷控制電路、4個(gè)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(shè)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(shè)備通訊；(8) 中斷管理系統(tǒng)和系統(tǒng)監(jiān)視模塊，帶有實(shí)時(shí)中斷看門狗電路；(9) 支持jtag硬件仿真；(10) 采用哈佛結(jié)構(gòu)，帶有8級(jí)硬件堆棧、6個(gè)外部中斷和4級(jí)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(gè)步驟，由于dsp內(nèi)部采用的是多總線結(jié)構(gòu)，這就使得cpu可以同時(shí)進(jìn)行程序指令和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的訪問，從而在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了4級(jí)邏輯流水線操作，同時(shí)由于這四級(jí)流水線操作在同一時(shí)刻分別使用的是內(nèi)部六條總線，因此并不會(huì)發(fā)生任何沖突，于是實(shí)現(xiàn)了四級(jí)流水線并行處理，大大提高了信息的處理速度；(11) 同時(shí)還帶有工業(yè)溫度標(biāo)準(zhǔn)、自動(dòng)溫度獲取功能。3.1.2 程序編寫和調(diào)試對(duì)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(tái)，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(píng)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(diào)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(diào)試工具的作用是對(duì)dsp程序及系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使編寫的程序達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)9。ti公司提供的cc2000開發(fā)環(huán)境可以進(jìn)行軟件仿真，在pc機(jī)上正確安裝好cc2000的4.10版本仿真軟件，在桌面上將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)快捷方式，先配置“setupccc2000”選擇編譯器的運(yùn)行環(huán)境(c2xx

43、simulator)；而“ccc2000”則是程序調(diào)試的仿真環(huán)境。該軟件同時(shí)支持匯編和c語言的開發(fā)，一般的程序調(diào)試主要包括如下幾個(gè)方面：源程序(.asm或者.c)是實(shí)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(yù)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(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(biāo)識(shí)實(shí)際存在目標(biāo)系統(tǒng)中且可被使用的存儲(chǔ)器范圍，每個(gè)存儲(chǔ)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(gè)project文件，將源程序(.asm或者.c)和命令文件(.cmd文件)添加進(jìn)來，同時(shí)將應(yīng)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(shè)定系統(tǒng)的gel(.gel)文件，從而就可以進(jìn)行編譯產(chǎn)生目標(biāo)文件(.obj)和匯編列表文件(.lst)。使用鏈接器將目標(biāo)文件和命令文件中的信息組合在一起，產(chǎn)生可執(zhí)行輸出文件(.out)和映射文件(.map)。運(yùn)行.out文件便可以進(jìn)行軟件調(diào)試，調(diào)試過程中可

45、以進(jìn)行單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)和探針、查看被訪問的寄存器和存儲(chǔ)器等等。同時(shí)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(shí)，必須用相對(duì)應(yīng)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(qiáng)，gel在cc2000下有一個(gè)菜單，可以根據(jù)dsp的對(duì)象不同，設(shè)置不同的初始化程序。3.2 電源電路設(shè)計(jì)tms320lf2812是低功耗芯片，所有引腳除了vccp在對(duì)flash進(jìn)行編程時(shí)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(shè)計(jì)采用美國ti公司生產(chǎn)的電源管理芯片的tps7333將外部輸入的5v電壓轉(zhuǎn)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(shí)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(dá)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(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(1) ram擴(kuò)展電路tms320lf2812內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(kuò)展數(shù)據(jù)空間。在使用仿真器下載調(diào)試程序的過程中，如果沒有外部程序存儲(chǔ)器，控制程序改動(dòng)后只能通過燒寫方式進(jìn)行驗(yàn)證，這不僅給程序開發(fā)帶來了不便，并對(duì)dsp芯片使用壽命產(chǎn)生影響，因此為了調(diào)試的方便需要外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)選用了cy7c1021vc33(44)同時(shí)作為dsp的外擴(kuò)數(shù)據(jù)、程序儲(chǔ)存器，該芯片是一個(gè)64k16 的靜態(tài)sram，在這里將該芯片分為兩個(gè)32k的空間來進(jìn)行儲(chǔ)存。該芯片的工作電壓3.3v，是高性能的、cmos靜態(tài)ram，存儲(chǔ)速率快23,24。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)將該芯片同時(shí)作為數(shù)據(jù)或者程序儲(chǔ)存器來使用，所以對(duì)其使能端的設(shè)置很重要

48、。對(duì)cy7c1021vc33(44)的基本操作有兩種：使能的同時(shí)進(jìn)行讀和寫。當(dāng)輸入信號(hào)以及同時(shí)為低電平的時(shí)候，選通該芯片并進(jìn)行寫操作。同樣以及同時(shí)為低電平的時(shí)候，選通該芯片并進(jìn)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(chǔ)的時(shí)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(hào)和ds(數(shù)據(jù)空間選通)進(jìn)行一個(gè)邏輯選擇，接著就可以對(duì)外擴(kuò)展空間進(jìn)行程序或者數(shù)據(jù)的操作。而經(jīng)過一個(gè)邏輯門以后使能信號(hào)才能到達(dá)cy7c1021，由于芯片的速度很高，同時(shí)輸入進(jìn)來的地址信號(hào)就可能不被正確識(shí)別。因此使用了a15來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。將a15 地址線和相連接，當(dāng)需要使用程序空間的時(shí)候，輸出高電平，程序?qū)?/p>

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(shí)現(xiàn)了分開訪問的功能。ram擴(kuò)展電路如圖3-7所示。(2) eeprom擴(kuò)展電路由于電動(dòng)變槳控制器經(jīng)常需要在現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)候改變參數(shù)或設(shè)置，并在調(diào)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(gè)芯片同時(shí)具有四個(gè)功能：上電復(fù)位控制、看門狗定時(shí)器、電源電壓監(jiān)視和塊保護(hù)的串行eeprom存儲(chǔ)器10。該存儲(chǔ)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(hào)。tms320lf2407a采用3.3v供電，因此本設(shè)計(jì)選擇

50、3.3v供電的型號(hào)。圖3-7 ram擴(kuò)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(hù)(接高電平時(shí)不保護(hù))，4腳為地，5腳(si)為串行數(shù)據(jù)輸入，6腳(sck)為時(shí)鐘，7腳()為復(fù)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(shè)計(jì)(1) can通信接口電路控制器局部網(wǎng)(can-controller area network)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，隨著現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要監(jiān)測(cè)與控制的節(jié)點(diǎn)增多，can總線以其實(shí)時(shí)性好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)凸現(xiàn)了出來。can在

51、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳控制中可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)變槳控制器與變槳上位主控器之間的通信。針對(duì)ti公司tms320lf2407a內(nèi)嵌的can 模塊的方便性和實(shí)用性11，本設(shè)計(jì)采用了can總線進(jìn)行變槳控制器與上位主控制器的實(shí)時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，并根據(jù)各自郵箱的標(biāo)識(shí)符判別數(shù)據(jù)是接收還是丟棄。本設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性強(qiáng)，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(diǎn)個(gè)數(shù)。can收發(fā)器選取了sn65hvd230，該芯片是ti公司生產(chǎn)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(dá)1mb/s。在本設(shè)計(jì)中，sn65hvd230是用來驅(qū)動(dòng)tms320lf2812和物理總線間的接口，提供對(duì)總線的差動(dòng)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(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到can網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)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(shí)的通信速率達(dá)到最高，沒有內(nèi)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(guān)，本設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)與測(cè)試階段可以將其與pc進(jìn)

53、行串行通訊，在此設(shè)計(jì)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)nrz(非歸零)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信，sci收發(fā)器是雙緩沖的，每個(gè)都有自己獨(dú)立的使能和中斷標(biāo)志位，兩者既可以獨(dú)立工作，也可以在全雙工模式下同時(shí)工作。通過對(duì)一個(gè)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(duì)于40mhz的時(shí)鐘輸出，波特率最高可達(dá)到2500kb/s的速度。本設(shè)計(jì)中采用max232芯片作為控制器的異步串行通信轉(zhuǎn)換接口。max232是符

54、合rs232標(biāo)準(zhǔn)的串行通信驅(qū)動(dòng)芯片，其低功耗關(guān)斷模式可以將功耗減小到5w以內(nèi)。在設(shè)計(jì)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(hào)線必須有電平轉(zhuǎn)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(diào)理板電路設(shè)計(jì)本課題中，信號(hào)調(diào)理電路板就是接受來自傳感器及編碼器信號(hào)的電路板，該電路板將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制板a/d能夠直接識(shí)別的信號(hào)后，送給控制板進(jìn)行處理。3.5.1 電流采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì)電流檢測(cè)就是實(shí)時(shí)檢測(cè)三相交流異步電機(jī)的定子電流，將定子電流轉(zhuǎn)化成控制板所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。在矢量控制系統(tǒng)中，定子電流的精度和實(shí)時(shí)性是整個(gè)控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵，因此控制系統(tǒng)對(duì)定子電流的檢測(cè)對(duì)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(jìn)行電流的檢測(cè)。在此，電流采樣調(diào)理電路選取了運(yùn)算放大器tlc2274，采用了雙減法進(jìn)行電流采樣。該芯片是ti公司用先進(jìn)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(yùn)算放大器，它比目前常用的cmos運(yùn)放有更好的噪聲、功耗和輸入失調(diào)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(hào)的計(jì)算、放大。本設(shè)計(jì)是將來自lem霍爾電流互感器電壓信號(hào)先后施加到tl