基于DSP的交流异步电机调速的研究

1、防 灾 科 技 学 院毕 业 设 计题目基于DSP的交流异步电机调速的研究学生姓名学号系 别防灾仪器系专 业电气工程及其自动化班级开题时间2010年11月26 日答辩时间2011年06月11日指导教师职 称讲师基于DSP的交流异步电机调速的研究作 者 指导教师 摘要 矢量控制作为一种先进的控制方式，是在电机统一、机电能量转换理论和坐标变换理论的基础上发展起来的，具有先进性、实用性的特点。其思想就是利用坐标变化，使得异步电动机的模型变成直流电动机模型，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，以期达到直流电机的控制效果。关键词：矢量控制、变频调

2、速、数字信号处理（DSP）、电压控制矢量法（SVPWM）ABSTRACT Vector control as an advanced control mode, is in the motor, electrical and mechanical energy conversion unified theory and coordinate transformation theory developed on the basis of, have the characteristics of the advancement and practicability. The idea is the

3、 change of coordinate, make induction motor model into dc motor model of stator current vector decomposition, to press a rotor field-oriented two dc component were controlled, and so as to realize the flux and the torque of the decoupling control, in order to achieve dc motor control effect. KEYWORD

4、S： Vector control, variable frequency speed regulation, and digital signal processing (DSP), voltage control vector method (SVPWM)目录引言1第一章 绪论11.1课题研究背景和意义11.2异步电动机调速技术的发展概况11.3 异步电机变频调速技术21.4 研究的目标和内容3第二章 交流异步电机的PWM技术42.1交流异步电动机变频调速通用原理42.2脉宽调制(PWM)技术52.3电压空间矢量SVPWM技术6第三章 交流异步电动机矢量控制技术63.1异步电动机的数学模型

5、63.2 坐标变换的矢量控制73.3 矢量控制原理103.4矢量控制方式10第四章 系统硬件电路的设计124.1 DSP(TMS320LF2407A)124.2主回路的设计134.3逆变器驱动电路的设计134.4检测电路的设计144.5 辅助外围电路的设计与实现16第五章 系统控制软件的设计开发175.1 系统软件总体设计175.2 软件模块205.3 本章小结23第六章仿真结果分析246.1 MATLABSIMULINK仿真平台246.2仿真系统建模246.3仿真结果及分析266.4本章小结26致谢27参考文献28引言随着半导体业的迅猛发展，尤其是数字信号处理器的发展以及精确的异步电机模型和

6、各种先进的控制理论的提出，很大程度上促进了电机控制的发展，使得高精度、宽调速范围、控制性能好的电机控制器的实现成为可能。第一章 绪论1.1课题研究背景和意义随着电力电子技术、计算机应用技术、和快速增长的自动化控制技术、电气传动技术正在经历一个历史性的革命。直流传动控制和交流传动控制是电气传动技术的研究与开发的两个方向,拥有两个方向的交流传动技术的发展进步,交流传动技术越来越成熟,交流传动技术在许多领域具有调速性能和直流调速技术相媲美的性能,很多工业控制领域已逐渐取代直流传输调速，但交流电机控制技术虽然经过多年的快速发展,但仍具有很大的技术进步和发展空间,仍然是该行业的重要课题。随着交流电机控制

7、系统逐步完善以来,越来越多的硬件和软件实现简洁,不仅简化了越来越复杂功能，同时，控制算法正在迅速发展。目前,交流电机控制已成为一门集运动学习与电力电子技术、自动控制技术、数字模拟和计算机控制为一体的新兴学科。因此,从事电气自动化相关专业技术人员,了解和掌握交流电机系统工作原理的数字控制系统设计方法已成必然趋势，我们根据需要选择设计合理的控制方案对效益的最大化,引进、吸收、消化国外先进技术,并能继续进一步探索了学习和提高交流电机控制理论和控制策略的方法日趋重要。1.2异步电动机调速技术的发展概况在电力电子发展之前，直流电机已经占据了主导地位。直流电机，当改变电动机的电压或者励磁电流时，就可以对电

8、机进行无级调速，且电动机的转矩相对比较容易控制，并且动态性能良好。但直流电动机有其缺点：重量大，价格高，结构复杂；电刷易磨损，维修不方便；对环境要求高，不适合用于一些要求较高的的场合。这与现代调速系统要求的可靠性、可使用性、可维护性相矛盾，因此直流电机已经很难适应现代电气传动的要求了。交流电动机，容量没有限制，结构简单，制造方便，价格低廉，而且维修方便可适应各种复杂环境，在工农业生产中得到了广泛的应用。但同时交流电机本身是一个强耦合、非线性的多变量系统，其可控性较差；而随着现代交流电机的调速控制理论和电力电子技术的发展，交流电机调速获得了突破性的进展。变频调速己经成为异步电动机最主要的调速方式

9、，在很多领域都得到了广泛的应用；而且随着交流电机调速理论的发展（如：矢量控制和直接转矩控制）和电力电子技术（IGBT、IPM）以及DSP等相关技术的发展，变压变频调速将在很长一段时间内主导电气传动领域。本系统以和功率管（MOSFET）及异步电动机构成的系统为研究对象，以提高算法的执行速度和精度为目标，以空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）为控制算法，设计了一种全数字化的变频调速系统，具有一定的理论和实际应用价值。1.3 异步电机变频调速技术1.3.1电力电子器件的发展电力电子是交流调速装置的基础，其发展直接决定交流调速的发展。20世纪50年代出现SCR，之后相继出现GTO， GTR(也称BJT)

10、和MOSFET，绝缘栅双极型晶体管IGBT和绝缘栅双极型门控晶闸管IGCT，智能功率模块IPM。IPM是先进的混合集成功率器件，由优化的门极驱动及保护电路高速低耗的IGBT构成，采用了有电流传感器功能的IGBT，能连续监控功率元件电流，从而实现高效的过电流保护。由从IPM集成了过热保护电路和锁定保护电路，系统可靠性得到进一步提高。1.3.2异步电机变频调速控制理论的发展早期变频系统都是利用开环恒压比(VF=常数)的控制方式，其优点是系统结构简单、成本较少，缺点是系统的整体控制性能不高。具体来说，其控制曲线会随着负载的增加而增加，转矩相应的变化慢，跟随性不好，利用率不高，低频时因定子电阻和逆变器

11、死区效应的存在，而性能下降稳定性变差等。因此这种控制方式比较适合应用在风机、水泵调速场合。矢量控制理论，仿照直流电动机和交流电动机比较的方法，由此开创了交流电动机与直流电动机等效控制的先河。矢量控制的主要思想是将异步电动机模拟成直流电动机，通过变换坐标，分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，使得解耦控制实现，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。直接转矩控制理论(DTC)是比较先进的控制理论。原理：直接转矩控制和矢量控制有很大的差别，DTC用的不是解耦思想。通过对电机定子电压和电流的检测，利用瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。

12、1.3.3 DSP的发展 20世纪80年代初期出现了数字处理器(DSP)，DSP有其自身的优势：支持浮点运算，提高了时钟频率，集成了硬件乘法器，它既增强了微处理器的数据处理能力，又在片内集成了大量的外围接口，因而在控制系统中得到广泛应用。SPWM波形产生器技术越来越成熟，它能与其它控制芯片配合共同完成交流电机的矢量控制。在本系统中采用的是TI公司的TMS320LF2407A作为本控制系统的核心处理芯片。1.4 研究的目标和内容1.4.1 研究目标本论文的题目是基于DSP的交流异步电机调速的研究。本系统以TMS320LF2407A为核心，并在此基础上进行数字化PWM交流变频调速系统的研究1.4.

13、2研究内容本文运用矢量控制技术并结合空间电压矢量技术，开发一套以TI公司的DSP芯片TMS320F2407A为核心，形成具有良好人机界面的交流变频调速系统。该方案主要介绍和设计了一种以 (DSP)TMS320LF2407A为中心的电机调速控制系统，并以此调速系统为基础，研究了按转子磁场定向的SVPWM调制方式的矢量控制变频调速系统，并利用该控制方式，搭建整个系统的硬件架构，同时编辑软件算法。使电机在高速、低速以及启动、运行时的各个条件下都能得到比较理想，稳定的控制特性。论文的研究内容具体包括：第1章 主要介绍了电机调速理论以及控制理论的背景、意义、现状和发展方向，以及本文的主要内容。第2章 讲

14、了交流异步电动机的PWM技术，变频调速的基本原理，变频调速主要有基频以下和基频以上两种情况。第3章 主要讲交流异步电动机矢量控制原理并从矢量控制系统原理出发，利用坐标变换技术，分析构建了异步电机在三种坐标系中的数学模型，重点对基于转子磁场定向的矢量控制原理进行了研究，最后介绍了电压空间矢量SVPWM控制的原理。第4章 讲述的是以TMS320LF2407A芯片为核心的硬件结构，包括交-直-交变频主电路、转速检测模块、电流检测保护模块、电压检测保护模块及各个硬件模块的具体设计要求及电路结构。第5章 主要介绍了整个系统的软件设计，由主程序、中断服务子程序两部分组成，给出了各个模块的详细软件设计流程图

15、。第6章 对交流异步电机矢量控制利用MATLAB进行了仿真，根据仿真结果研究改进系统结构。第二章 交流异步电机的PWM技术 2.1交流异步电动机变频调速通用原理交流异步电动机的转速公式：N=60f(1-s)p (21)式中： p电动机极对数：f电源频率； N电动机转速：s 转差率。由式(2一1)可见，调节极对数P，转差率S和电源频率f可是其转速改变。其中，改变电源频率来实现交流电动机调速的方法效果最理想。根据电机学理论，交流异步电动机的定子绕组的感应电动势有效值计算如下：UE=444kf (22)要使电动机具有较好的性能必须在改变频率f的同时协调的改变定子电压U。使气隙磁通为一常量为了保证：E

16、/f=C= (2-3)式(2-3)表明了f由基频降至低频的变速过程中使得=C，可以获得转矩Tc：Temax=C的控制效果。异步电机的控制特性如图21所示:在基频以上调速时，频率可以从额定值fs往上提高，但是端电压U不能继续上升，只能维持在额定值 图2.1异步电机变频调速使的磁通与频率成反比的下降，这时电机转矩基本上随磁通变化，因此在基频以下为恒转矩调速，在基频以上为恒功率调速。2.2脉宽调制(PWM)技术PWM控制技术一直是变频技术的基础。随着新型电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展，PWM变频技术也获得了飞速发展，目前常用的主要有两种形式：基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制和

17、电压空间矢量SVPWM控制。一、SPWM技术上图中，通常采用等腰三角波作为载波，正弦波作为调制波，当载波与调制信号波相交时，如果在交点时刻控制电路中功率开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，若拿正弦波作为调制信号波为时称其为SPWM调制。SPWM法是从电源的角度出发，该如何产生调压调频的三相正弦波电源？SPWM波形的生成方法:等效面积法、自然采样法、规则采样法等等。规则采样法有其特点和优势：偏离自然采样法较小，脉宽的计算方法简单，用计算机实现比较方便，运算量小，实时性好，是人们常用的一种SPWM方法。二、电压空间矢量SVPWM 电流跟踪控制直接控制输出电流，使之随着正玄波变化，

18、交流电动机输入三相正弦波使得电机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。把逆变器和交流电机看作是为一体，以圆形磁场为目标来控制逆变器的工作。磁链轨迹的控制通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，又称为“电压空间矢量SVPWM ”。2.3电压空间矢量SVPWM技术2.3.1电压矢量与磁链矢量的关系电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定义的。电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系，如图23所示。这个坐标系有三个轴，互相间隔120。三相定子电压Ua，Ub，Uc分别施加在三相绕组上，形成三个相电压空间矢量Ua、Ub、Uc 它们的方向始终在各相的轴线上，大小随时间按正弦规律变化。

19、因此，三个相电压空间矢量相加所形成的一个合成电压空间矢量u是一个以电源角频率速度旋转的空间矢量。图2.3空间矢量坐标 U=Ua+Ub+Uc (24)因此有：u=RI+ddt当转速不是很低时，定子电阻R的压降相对较小 所以有： uddt 该式说明，当磁链幅值定时。u的大小与成正比，或者说供电电压与频率f成正比，其方向是磁链圆轨迹的切线方向。如此，便将电动机旋转磁场转化为电压空间轨迹。第三章 交流异步电动机矢量控制技术3.1异步电动机的数学模型异步电机的矢量控制而言,速度系统的控制方式是比较复杂的,确定了最优控制方法,必须要充满系统静态特性的研究。作为交流电机调速系统一个主要的联系,该系统特点显得

20、尤为重要,建立相应的数学模型,推导出系统的动态和静态特性及其控制技术的理论基础为了分析三相异步电动机,一般做以下的理想化假设:(1)三相绕组是对称的,忽略空间谐波;(2)忽略了磁饱和且自感和互感是恒定的(3)忽略铁芯损失;(4)不可考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响在恒定转矩负载条件下，三相异步电动机的数学模型可用如下矢量方程表示： （3-1）其中： L是定、转子漏感，D是转子角速度，u是定、转子相电压，i是定、转子电流是转子和定子间的夹角。用等效电路图表示则有下面的通用等效图，如图31所示：3.1异步电机通用图交流感应电机实质上是一种高阶非线性和强耦合的多变量系统,要分析和非线性方程组是

21、十分困难的,所以通常需要采用坐标变换方法加以改造,来控制系统的数学模型, 使数学模型简化为比较简单的等效直流电动机数学模型。 3.2 坐标变换的矢量控制 通过磁势量来描述或电流空间三相磁场、两相磁场与磁场和旋转坐标变换,直流他们称为矢量坐标变换。矢量坐标变换必须遵循以下原则:1 变换前后电流所产生等效的旋转磁场；2 变换前后两个系统总功率不发生变化。为使总磁动势、功率保持不变，这里采用正交变换方式进行。 3.2.1 CIarke变换研究矢量控制的三种坐标系统：两相静止坐标系(2S)、三相静止坐标系(3s)、和两相旋转坐标系(2R)。为仿照直流电动机模型，我们先将异步电动机模型从三相静止坐标系A

22、BC变换至两相静止坐标系。 图3.2坐标变换即3S2S变换，如图3-2所示。由于磁动势总量不变，变换前后功率保持不变，即采用正交变换矩阵，则可以得到变换公式为： (3-2) 变换矩阵为:C= (33)对于三相电流系统而言，有iA+ia+ic=0。因此ic=-iA-iB，代入式（32)，得： (34) 式，其公式如下：变换矩阵为：c= (3-6)综述可以得到三相静止坐标系ABC到两相旋转坐标系MT之间的变换矩阵为：这样根据式(3-2)式(38)，可以得到异步电机不同坐标系下的模型。1.异步电动机在两相(-)静止坐标系上的模型2.异步电动机在两相(MT)旋转坐标系上的模型上面几式中：Rl是定子电阻

23、；R2是转子电阻；Ls、Lr是定、转子每相绕组的等效自感；Lm是互感；-电机电角频率：1M、T坐标轴同步转速；-转差频率；T1-负载转矩；p-微分因子；、itl-定子电流；im2、it2-转子电流。由此可知，异步电动机在MT坐标系上的转矩方程与直流电动机非常相似。3.3 矢量控制原理交流异步电机的矢量控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的,具有先进、新颖和实用性的特点,将矢量控制的思想,是对直流激励异步电机控制仿真。通过三相固定相或两轴轴静止的ABC- -两相同步轴坐标变换, 在MT坐标系中，把定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并对其加以分别控制。控制，

24、相当于控制磁通；控制itl相当于控制转矩。这样，便将交流异步电动机的复杂的多变量强耦合的非线性系统进行了解耦控制，实现控制直流电机的方式。3.4矢量控制方式矢量控制方式主要有两种:速度闭环,磁通的开环、速度、闭环控制的方式。在速度闭环控制,可分：速度传感器和无速度传感器矢量控制方式,在这个实验中,我们采用了闭环速度，磁通开环控制方式和带速度传感器控制的方式,是通过电流、速度模型估计目前的速度,从而实现闭环速度控制。控制系统根据电流模型对转子磁链的观测，利用对定子电流的检测，经三相坐标系(ABC)到转子定向磁链的两相同步旋转坐标系(MT)的变换，变换方程式： (319)得到在MT坐标系上电机定子

25、电流的转矩分量im1和励磁分量it1，根据电流模型即可得电机的转子磁链，同时算出转差u。，定子电流的转矩分量和磁通分量经过各自的PI调节器输出，并通过两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系，再利用电压空间矢量法来控制脉宽值，进而控制异步电动机。根据矢量控制原理，到矢量控制系统的框图如图34所示。3.4矢量控制系统的框图图中用的是SVPWM逆变器，当编码器测得转速且把该速度当作速度环的负反馈量，由电流-磁链位置转换得出转子磁链位置，并参与Park变换和逆变换，转速负反馈量n与给定转速nref的偏差经过pI调节器调节，输出量即为转矩控制的电流T参考分量。和与电流反馈量的偏差经过P1，分别输出M、T旋转

26、坐标系的相电压分量再经过Park逆变换得到，同时也生产一组开关脉冲控制信号，控制逆变器及时、准确地获得良好的调速性能。从图表可以看出,本系统是一个转速、电流反馈闭环系统。从异步电机控制电路接受速度和定子电流反馈信号,在DSP实现A / D转换、计算速度快、数量、位置矢量控制算法的操作, 该方法根据生成的六个IPM逆变器模块SVPWM控制信号,经光耦隔离器后,传动控制逆变器每个开关管的工作,最终达到定子电压矢量调整的目的。与此同时,DSP也通过LED显示电机瞬时速度,当系统出现：短路、过电流、过电压、DSP过热故障时,则输出信号的脉宽调制将封锁和停止。矢量控制系统性能主要取决于两点:(1)精确的

27、转子磁链矢量的信息。(2)依照实际定子电流的指导价值快速、准确地调整。因此该两点是本课题主要研究的方向。第四章 系统硬件电路的设计基于DSP的变频调速系统的设计方案框图如图41所示。该设计方案采用TMS320LF2407A为控制核心，同时应用功率开关器件(IRFP450)和驱动芯片(IR2132)。其重要要组成模块有：整流电路、滤波电路、过压保护电路、欠压保护电路、过流保护电路、逆变驱动电路、检测电路（电流检测电路、转速检测电路）和键盘显示电路。图4一l基于DSP的变频调速系统原理方框图4.1 DSP(TMS320LF2407A) “TMS320F2407A芯片是Texas Instrumen

28、ts公司生产的16位定点数字信号处理器，是一款电机控制专用芯片，主要特性如下1.采用TMS320C2xx DSP CPU内核，40MIPS的运算速度；2.双访问片内程序数据内存544字节， Flash程序存储器32K字，192K寻址空间(64K字数据空间，64K字程序空间，64K字IO空间)，可编程密码保护；3.两个10位的AD转换模块，共有16路AD输入，最快500ns的转换时间：16个比较器通道：四个定时器，分别有六种模式；4.四个带有死区宽的16位完全比较单元；四个16位的简单比较单元；41个可编程的多功能IO脚以及串行通讯接口模块。” 注释14.2主回路的设计系统采用的是交直交式变压变

29、频电路，整流部分采用三相桥式不可控整流电路,逆变采用PWM方式，由这六个功率场效应管IRFP450组成逆变电路。其主回路构图如图43所示。从图4-3可以看出，380V的电压经过六个二极管(D1一D6)的全波整流交为直流。电解电容C1和C2为整流滤波电容，同时为逆变器负载和直流电源之间的无功功率提供缓冲。主电路运行时，因为六个开关频率很高的场效应管，开关起停时直流环节会产生电流突变，在场效应管的集电极和发射极和直流母线上会出现高频率的毛刺电压。不仅影响逆变桥的正常运行，有时还会损坏功率场效应管IRFP450，因此加上一个吸收缓冲电路在逆变桥上。图4-3中快恢复二极管D7、无感电容c3和无感电阻R

30、3，就是一个小功率吸收缓冲的电路，有抑制浪涌的作用。除此之外电阻Rl和R2组成分压电路，通过线性光耦隔离器、调整电路处理后送给控制芯片，当作过压和欠压保护信号。4.3逆变器驱动电路的设计 本设计采用国际整流器公司生产的IR2132来作为专业的驱动芯片，只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，来改善IRFP450的结电容比较大且使IRFP450工作在高的开断频率下，必须通过大电流快速的对结电容充放电的缺点，可以使整个驱动电路简单可靠。它自身工作和电源电压的范围较宽(320V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通

31、道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。” 注释24.4 IR2132驱动电路采用IR2132芯片驱动逆变器功率管时，其主电路结构不需要变化，仍可用三相电压型逆变器电路，图44画出了IR2132其中1个桥臂的驱动电路示意图，图中：cl是自举电容（为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量），Dl：防止上桥臂导通时的直流母线电压加到IR2132的电源上而使器件损坏，因此D1应有足够的反向耐压，由于D1与cl串联，满足了主电路功率管开关频率的要求，D快速恢复二极管。R1和R2是IGBT的门极驱动电阻，一般可采用10到几十欧，R3

32、是过流取样电阻，R4是作为分压用的可调电阻， R3和R4组成过流检测电路。4.4检测电路的设计 检测电路为了检测的各种信号而设计的，经过转换，变成DSP可以识别的数字信号。检测电路分为以下三块：1.相电流的检测2.母线电压的检测3.电机转速及位置的检测4.4.1相电流的检测 电流检测就是把三相交流异步电机的三相定子电流转或直流母线电流换成相应的二进制代码，送至DSP处理。因为本课题研究的是三相平衡系统Ua+Ub+Uc=O，因此只要检测其中两路电流，就可以得到三相电流。在实际的系统中采用的CS型号CS005LX，其硬件电路见图45。其工作电压为12v15V，输出电压为一4v+4V。由两个Cs模块

33、检测A相和B相的电流，得到电流信号(传感器输出为电压信号)，经过转换电路，变成一17v-17V的电压信号，然后经过偏置电路得到033V的电压信号，最后由TMS320F2407A的AD转换模块把它变成相应的数值，并保存在定义的数值寄存器Ia和Ib中。图4.5电流检测电路4.4.2电机转速和位置的检测 通过对光电脉冲编码器的检测来检测电动机的转速，电机转速检测的正确性和精度直接影响调速系统的精确性和稳定性。决定转速测量性能的因素有两个：一是系统硬件本身，系统一经确定，由硬件引起的速度检测性能的差异不再变化。二是速度估计算法，优质的估计算法可以得到精确稳定的速度检测性能。本系统采用的是M法（即测频法

34、）测速原理，即在某一定时间T内，通过对编码器输出脉冲的多少来计算电机转速。设在一周期Tc内，光电码盘的脉冲数为Pn，在Tc内所测到的脉冲数为m，则电机转速n(rmin)为：本系统采用型号是E682-CWZ6C的旋转编码器，参数为：1200PR，它由524v供电，有三路输出（A相、B相、z相）；其中测速用A与B两相，A与B相位差为90度，每转一圈输出1200个脉冲；伺服控制系统中的定位用z脉冲。所以每转一圈输出一个脉冲，光电脉冲编码器的A、B输出加上高速光电隔离，起一个保护作用，然后再接TMS320F2407的QEPl、QEP2上电路如图47所示。图4.7高速光藕电路利用快速光耦的原因：码盘输出

35、的信号的频率最高接近60KHZ，而普通光耦的开通和关断延时就有几个微秒，无法满足要求。4.4.3母线电压的检测测得母线的电压是进行SVPWM脉宽调制的前提，由于我国电网的易波动，其三相电整流后的直流电压的数值变化频率高。因此在该设计中利用在母线上并联两个大功率电阻进行分压，进而测量母线电压，如图43所示。由于逆变电路开关频率高，在母线上会出现浪涌现象，虽存在着浪涌吸收电路，但在很大程度上影响着电压的测量，了在电阻端并联一个电容，降低这种影响。经过光耦电气隔离后直接送给TMS320LF2407的AD模块。4.5 辅助外围电路的设计与实现4.5.1通信模块的设计与实现TMS320LF2407带有S

36、CI通讯接口和CAN总线接口，因此可以方便的实现Rs-232通讯和CAN的通讯。我们利用一片MAX232CSE，来实现该方案，由MAX232CSE构成串行通信模块，其电路图如4-11所示。4.11串行通信模块MAX232是双路驱动接收器，内部包含一个电压生成器，可以将单5V电源转换成符合EIATIA232E的电压等级。接收器将EIA/TIA232-E的输入脉冲转换成5vTTLCMOS电平。接收器的界值13v，磁滞是05V，可以接收30V的输入信号。驱动器将TTLCMOS输入电平转换成EIATIA一232一E电平。这样。通过简单的RS-232，就可以方便的实现下位机与上位机之间的通信。第五章 系

37、统控制软件的设计开发软件设计的优劣一定程度上决定控制系统功能的优劣，控制软件要具有很好的实时性。在DSP芯片中TMS320LF2407是进行高效、高精度电机控制 的首选。5.1 系统软件总体设计本系统的软件包括两部分：一、监控显示程序；二、控制程序。上位机控制电机参数的设定，显示转速给定以及反馈下位机上传的当前速度信息；同时为电压波形的实时显示作好准备。下位机主要功能：转速采样、电流采样、PWM输出、矢量变换以及串行通信、转速显示、故障输出等。上位机能通过串口实现读写操作的程序进而来控制PC级，本系统就采用C+Builder60编制了上位机的显示监控界面。下位机的控制软件是关键部分。下位机的控

38、制软件由主程序和三个中断服务程序组成。主程序主要负责DSP的系统初始化以及各个变量的初始化以及电机转速频率的实时显示；三个中断服务子程序包括；通信中断服务子程序、PWM中断服务子程序和故障显示中断服务子程序。通信中断服务子程序的主要任务就是：一、接收PC机设定的电机参数。二、反馈转速信息给PC机。PWM中断服务子程序的主要任务就是：一、负责A、B两相的电流值的采样，并且实现AD转换。二、根据脉冲编码器传递的信息计算当前的转速和值。三、根据测量值进行矢量变化和计算。四、SVPWM输出。显示故障中断服务子程序的主要作用就是：当控制系统出现不可控的情况时，那么DSP就产生故障中断响应，立即关闭逆变电

39、路，并且显示“ERR”。使得实时的保护系统，使故障而引起的损失减小到最低。具体的软件流程图如下所示：图51主程序流程图，图52PWM中断服务予程序、图53通信中断服务子程序。开始故障中断服务子程序初始化SCI、SPI、A/D模块初始化事件管理（EV）模块定时器设置初始化变量A/D采集速度给定量频率或转速显示DSP初始化：设置时钟、设置等待状态、设置 存储单元初始化I/O口PWM服务中断子程序等待中断通讯中断服务子程序5.1主程序流程图计算编码增量累计计算转速是否到转速采样时 计算角 增 量进入中断保护现场Ia，ib采样和A/D转换采样电流规格化处理Clarke 变 换Sin，cos表Park

40、变换转子磁链位置变换T轴电流PI调节M轴电流 PI 调 节Park逆变换SVPWM 现场返回转速PI调节图5.2 PWM中断服务子程序进入中断关闭PWM输出显示出错信息图53故障中断服务子程序5.2 软件模块异步电机矢量控制变频调速系统的软件包含了众多模块进行分析，分别说明实现的方法，本系统软件主要包括以下模块：数据初始化和DSP初始化模块电流采样模块转速采样模块PI调节反馈模块转子磁链位置计算模块 电压空间矢量法模块(SVPWM)初始化即对系统和变量定义初值及其类型，变量初始化是指对变量对应的存储器单元赋初值；系统初始化包括：设置PLL时钟工作频率，DSP工作频率为40MHz关闭看门狗：设置

41、事件管理器模块和各个定时器，6相PWM输出及死区时间；初始化IO口及串行口，允许串行接受中断；AD采样初始化，清空ADFIFO；初始化IO口及串行口，允许串行接受中断；5.2.1 初始化模块初始化模块分为两块：数据初始化和DSP初始化。1)数据初始化：数据初始化有两块即；data块和bss块。data块包括了己经初始化的数据，bss块则是一些预留的数据。初始化IO口及串行口，允许串行接受中断；bss块包括多种预留的数据寄存器，如ia，ib等。data块定义各种常量如PI调节系数、sin函数表、坐标变换系数等和一些软件使用的软开关以及其他一些固定参数。(2)DSP的初始化主要有以下几点：设置外部

42、时钟为10M，内部系统时钟为5M，关闭看门狗；串行口使能，并允许串行接收中断，设置通信速度为3600bits：初始化所有IO口；对所有数据类型进行初始化，对保留的数字字节进行设置：AD采样初始化，对ADFIFO清空；设置6相PWM输出和全比较模式及设置死区时间；5.2.2 串口通讯模块通讯模块的波特率为9600bps，全双工RS-232通信模式；数据字格式：双缓冲接收和发送，并设置接收中断，8位数据位，无奇校验。“通信协议：PC机发送字符给DSP：DSP采用的是中断接收的方式，当有数据进入DSP的RXBUF时，DSP发生中断，随即接收字符，在接收到符合条件的字符后，发送相应的字符给PC机。规定

43、的通信格式如下：首先，PC发一个字符“S”给DSP，DSP在接收到字符以后，就开始判断：接收到的字符是否是“S”，如果是，那么置位接收标志(RXFLAG)，从而，Pc机再发过来数据时，DSP就开始正常接收数据；如果否，那么DSP就发送字符“ERR”遥知Pc机。需要重新发送。其次，再接收完正式的数据以后，DSP就开始判断，最后接收到的数据是不是“END”，如果是，那么DSP就发送“OK”通知Pc机，告诉其接受正确，表明通信完毕”。 注释35.2.3 电流采样模块电流采样是在中断服务子程序中完进行的，电流霍尔元件的输出带有正负方向的电流，所以在信号接入DSP之前，应先经过电流电压变换电路，先转换为

44、-5V+5V的电压信号，再经滤波电路、零迁限幅电路，转换为0-+33V的信号送入DSP的AD转换器。进入AD转换器后的程序流程图定时器中断 结束转换结果 结果启动A/D转换数据移放入累加器位，数据定标处理数据存入数据存储器选择采样通道图5.4电流采样模块5.2.4 电机转速采样模块本系统转速检测采用的是M法测速原理，每一次PWM中断就进行转速的测量，从而确保转速检测的实时性。需要判定转速的变化，若无转速变化，则不需计算，其流程图如图55所示(光电编码器的脉冲数存于定时器T3的T3CNT中)：读T3CNT的值STEP=SPEED(N+1)-SPEED(N)N=Kspeed*stepSTEP=0?

45、5.5电机转速采样模块5.2.5 Pl调节模块 在这个系统中,有几种使用PI调节模块,采用积分饱和PI控制器,包括速度到当前的PI模块、电流电压PI模块。调整参数Kp,Ki受很多因素的影响,包括采样时间和电机参数等,应根据不同的情况选择不同参数的选择、参数人工调控现场。直到优化调节参数的大小决定到目前为止。在这个系统中,利用现有的理论和经验,电机的转速调节PI参数选择如下:转速的PI控制参数：Ksi=0.03；Lp-65；电流到电压的PI参数：Kii=0.05Kip=0.08；根据系统的精度和数据格式要求，软件中的常数都采用Q12的数据格式，那么各种PI调节器的参数都要经过标么化。5.3 本章

46、小结这一章从异步电机的矢量控制变频调速系统软件的设计思路,给出了详细的模块的软件设计方法,主程序完成各种变量和控制器的初始化PWM中断服务子程序,都是该系统的核心部分,主要完成转速、电流采样计算和调整,SVPWM,PI调节和转子磁链角位置。通过构建模型的软件模块,每个孩子最终构成整个传动系统完成软件开发模型。第六章仿真结果分析61 MATLABSIMULINK仿真平台计算机仿真是模拟电机调速的一种重要工具，计算机仿真成为分析验证系统设计思想、算法的正确性的首选。用软件搭起电机控制模型，再以此模型在多种环境下运行研究，即可得到可靠的实验分析数据，又能节约时间和费用。可以排除由于人工介入而引起的错误，提高了设计效率。SIMULINK是Math Works开发的一种针对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。它具有相对独立的的功能和使用方法，可用结构图的形式进行仿真工作，其内部包含了各种功能模块，有连续系(Continous)、函数与表(Functions&T