基于DSP三相交流电机变频调速控制器设论文

1、基于DSP的三相交流电机变频调速控制器设计目录1. 概述21.1 DSP芯片技术的发展21.2交流变频调速技术优点：21.3目前典型的变频调速控制类型主要有四种:32. SPWM工作方法以及原理32.1交流异步电动机的转速可由下式表示：32.2 SPWM正弦脉宽调制技术33. 变频调速控制器系统的硬件电路设计43.1系统硬件设计43.2 主电路部分设计53.3 驱动电路部分设计63.3.1 IR2130驱动芯片的工作原理63.3.2 IR2130的应用电路73.4电流检测电路73.5逆变电路83.6显示键盘83.7通信部分93.8 E2PROM93.9 CAN控制器模块104. 基于DSP三项

2、交流电机变频调速控制器中软件电路分析104.1 设计总述104.2 各部分协调具体设计124.2.1 主程序124.2.2 A/D转换144.2.3 SPWM155. 设计体会与概述18摘要:根据电压矢量的基本原理，利用TMS320LF2407A，对电流采样、逆变电路、驱动保护以及控制系统进行软件设计。设计出基于DSP控制系统的SPWM变频调速系统控制器。使得逆变电源的智能化程度更高，性能更加完美 。关键词：DSP SPWM 变频调速Abstract: According to the basic principle of the voltage vector, we use TMS320LF

3、2407A to finish sampling the current, inverter circuit, drive and protection and control system software design. The design of SPWM controller for variable frequency speed regulation system is based on the DSP control system. The intelligent degree of inverter power makes the system owning higher pe

4、rformance. Key word: DSP SPWM Frequency control of motor speed1. 概述1.1 DSP芯片技术的发展1978年，AMI公司生产的S2811；1979年，美国Intel公司的商用可编程器件2920； 这两种是DSP芯片的一个主要里程碑。 特点：没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出PD7720。 特点：是第一片具有乘法器的商用DSP芯片。1982年，美国德州仪器公司（Texas InstrumentsTI）推出第一代DSP TMS320010及其系列产品，目前已发展到第六代。TI公司的系列DSP产品已

5、经成为了当今世界最有影响的DSP芯片，其DSP市场占有量占全世界份额的近50%，成为世界上最大的DSP芯片供应商。1982年，日本东芝公司推出浮点DSP芯片。 1984年，AT&T公司推出DSP32，是较早的具备较高性能的浮点DSP芯片。1986年，Motorola公司推出了定点DSP MC56001。1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。 美国模拟器件公司（Analog DevicesAD）相继推出了定点DSP芯片ADSP21xx系列，浮点DSP芯片ADSP210xx系列。1.2交流变频调速技术优点：1) 调速时平滑性好，效率高2) 调速范围较大，精

6、度高3) 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显4) 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便5) 易于实现过程自动化1.3目前典型的变频调速控制类型主要有四种:1) 恒压频比控制2) 转差频率控制3) 矢量控制4) 直接转矩控制2. SPWM工作方法以及原理2.1交流异步电动机的转速可由下式表示： (2-1)n-电动机转速(rmin) P-电动机磁极对数f-电源频率s-转差率由式(2-1)可见，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数P，转差率s和电源频率f。其中，改变电源频率来实现交流异步电机调速的方法效果最理想，这就是所谓变频调速。变频调速的方法主要有：V/F控制、矢量控制、直接转矩

7、和电压空间矢量(SVPWM)控制方法。本课题采用了SPWM的控制方法。2.2 SPWM正弦脉宽调制技术SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）正弦脉宽调制技术：通过对一系列宽窄不等的脉冲进行调制，来等效正弦波形（幅值、相位和频率）。SPWM调制的原理：利用宽窄不等的方波来等效正弦波，保证宽窄不等的方波所对应的基波与所需要等效的正弦波的幅值、相位和频率均相等。其中，等效脉冲宽度是按照正弦规律变化的。根据采样控制理论，脉冲频率越高，SPWM波形越接近正弦波。逆变器的输出电压为SPWM波形时，其低次谐波得到很好的抑制与消除，高次谐波又能够很容易滤去，从而可以得到

8、几遍率极低的正弦波输出电压。SPWM控制就是对三相交流电机变频调速电路进行通断，使得输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他的波形。l SPWM重要理论基础面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同（冲量窄脉冲的面积）。效果基本相同环节的输出响应波形基本相同l 目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路3. 变频调速控制器系统的硬件电路设计3.1系统硬件设计本系统采用TMS320LF2407A，它是T

9、I公司专为工业控制和电机控制推出的系列产品。这款DSP将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身。有如下特性：灵活的指令系统；高速的运算能力；大容量的存储能力；有效的性能价格比。主要应用领域包括：工业电机驱动；逆变电源；功率转换器和控制器；汽车系统；仪表和压缩机电机控制；机器人和计算机数字控制机械。TMS320LF2407A具有2个事件管理器；32位中央算术逻辑单元；32位累加器；16位×16位乘法器；3个比例移位器；间接寻址用的8个16位辅助寄存器和辅助算术单元；4级流水线操作；8级硬件操作；6个可屏蔽中断；544字的片内DARAM和2K字的片内SARAM；32K字片内FLASH程序

10、存储器；64K程序存储空间；35.5K数据存储空间；I/0空间64K。此外还有功能强大的外设：串行通信接口SCI；串行外围接口 SPI；CAN总线控制器；事件管理器EV；A/D转换器；看门狗WD。TMS320LF2407A芯片是通过3条总线实施指令读取、泽码、取操作数、执行指令等操作。 整流器 逆变器 滤波器图1 系统硬件框图3.2 主电路部分设计本设计系统中采用的就是MOS功率管。常用于主电路控制的功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型（当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道），增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟

11、道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。l MOS管驱动特点1) 具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点2) 具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强3) 噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。l 主要参数图2 功率MOSFET的绝对最大额定值l MOSFET应用1) 开关电源中作用2) LED照明领域应用3) 逆变电源领域应用4) 投影仪电源领域应用3.3 驱动电路部分设计该三相交流变频调速控制器的驱动电路选择IR2130驱动芯片。IR公司推出的IR21xx系列集成芯片是MOS、IGBT功率器件专用栅极驱动芯片，IR2130通过自举电路工作原理，使其既能驱动桥式电路中低压侧的

12、功率器件，又能驱动高压侧的功率元件，因而在电机控制、伺服驱动、UPS电源等方面得到广泛应用。这些器件集成了特有的负电压免疫电路，提高了系统耐用性和可靠性，有些器件不仅有过流、过温检测输入等功能，还具有欠压锁定保护、集成死区时间保护、击穿保护、关断输入、错误诊断输出等功能。IR2130驱动芯片的主要特点：可直接驱动高达600V电压的高压系统，输出端具有dV/dt抑制功能最大正向峰值驱动电流为200mA，反向峰值驱动电流为420mA具有电流放大和过电流保护功能，同时关断六路输出自动产生成上、下侧驱动所必需的死区时间（2.5s）具有欠压锁定功能并能及时关断六路输出2.5V逻辑信号输入兼容3.3.1

13、IR2130驱动芯片的工作原理 当IR2130驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当逆变器同一桥臂上2个功率器件的输入信号同时为高电平，则IR2130输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生。图3 IR2130结构引脚图3.3.2 IR2130的应用电路IR2130 高压集成驱动器,，可作为交直流调速、UPS 电源、电子镇流器以及永磁无刷电机调速电路中主功率元件的驱动电路。可直接驱动中小容量的功率场效应管(MOSFET )、 绝缘栅晶体管(IGBT )和场效应控制晶闸管 (MCT)

14、等。具有六路输入信号和六路输出信号，其中六路输出信号中的三路具 有电平转换功能,，因而它既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件， 又能驱动高压侧的功率元件。也就是说，该驱动器可共地运行，且只需一路控制电源，而常规的驱动系统通常包括光电隔离器件或者脉冲变压器，同时还必须向驱动电路提供相应的隔离电源。图4 IR2130典型应用电路3.4电流检测电路如图示出系统保护电路。其中逆变桥3 个上桥臂各有一个保护信号输出，3个下桥臂共用一个保护信号输出，共有4 路保护信号（FO1 FO4）输出。无故障时，FO 输出高电平，光电耦合器（TLP521）不导通，连接到四输入与门（74LS21）的输入端为高电平，与门的

15、输出即为高电平。当其中任一个桥臂有故障时，FO即输出低电平，光电耦合器导通，与门的输入信号即变低，输出亦变低，这样连接DSP 的PDPINTA 引脚就检测到一个下降沿，进入到DSP 的故障中断中，在程序中封锁6 路SPWM 的输出信号，使6 路SPWM信号无输出，起到保护作用。图5电流检测电路3.5逆变电路逆变电路的功率器件采用目前最先进的智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)，IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理。它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速

16、保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的控制器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服进给，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。l IPM有以下优点：1) 开关速度快。IPM内的IGBT芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠 IGBT芯片，驱动延时小，所以IPM开关速度快，损耗小。2) 功耗低。IPM内部的IGBT导通压降低，开关速度快，故IPM功耗小。3) 快速的过流保护。IPM实时检测IGBT电流，当发生严重过载或

17、直接短路时，IGBT将被软关断，同时送出一个故障信号。4) 过热保护。在靠近IGBT的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板过热时，IPM内部控制电路将截止栅级驱动，不响应输入控制信号。5) 桥臂对管互锁。在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止上下臂同时导通。6) 抗干扰能力强。优化的门级驱动与IGBT集成，布局合理，无外部驱动线。7) 驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源(一般为15V)就会造成驱动能力不够，增加导通损坏。IPM自动检测驱动电源，当低于一定值超过l0u S 时，将截止驱动信号。 8) IPM内藏相关的外围电路。缩短开发时间，加快产品上市。9) 无须采取防静电措施。1

18、0) 大大减少了元件数目。体积相应小。3.6显示键盘128X64显示屏拥有带中文字库的128X64，一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简

19、洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。l 主电路开关器件选择IRFZ44N是用于开关电源，且具有很低的使用状态阻力。具体参数如下：表1 IRFZ44N具体参数晶体管指标参数极性N沟道类型MOSFET漏电流Id最大值49A电压Vds最大值55V功耗83W3.7通信部分串行接口电路如图，我们通过一片MAX232构成串行通信接口。MAX232是双路驱动接收器，内部包括电容型的电压生成器，可以将5V电源转换成符合 EIATIA-232-E的电压等级。接收器将EIATIA-232-E标准的输入电平转换成5VTTLCMOS电平。接收器的典型临界值是13V，典型磁滞是05V。发送器将 TTL

20、CMOS输入电平转换成EIATIA-232-E电平。这样就可以实现下位机与上位机之间的通信。图6 串口电路图3.8 E2PROMAT24C02内含256×8位存储空间的低功耗CMOS串行EEPROM，可擦写10万次以上，数据保存100年有效，双线串行接口。该芯片支持I2 C总 线协议，I2 C总线是Philips公司开发的一种简单、双向、二线制、同步串行总线。与并行扩展总线相比，I2 C总线电路结构简单、程序编写方便、易于实现用户系统软硬件的模块化和标准化，并有严格的规范，因此得到比较广泛的应用。将TMS320C5410的MCBSP 中的CLKX和BFSX引脚分别与SCL、SDA相连

21、接, 然后接两个上拉电阻。硬件连接如图所示。图7 AT24C02与TMS320C54系列DSP硬件连接图3.9 CAN控制器模块UC5350是CAN协议控制器和物理总线的接口，对总线提供不同的发送能力和对CAN控制器提供不同的接收能力，完全和IS011898标准兼容，并具有对电池和地的短路保护功能。下图是CAN总线接口电路。图8 CAN总线接口电路4. 基于DSP三项交流电机变频调速控制器中软件电路分析4.1 设计总述如下图所示为系统的软件流程图，在主程序中完成系统和软件的初始化和频率信号的采集。在定时器1 的周期中断子程序中，计算恒压频比控制下的M值和频率值，查表得到三相正弦值，计算后给周期

22、寄存器（T1PR）和3 个比较寄存器（CMPR1，2，3）赋值。 图9 系统软件流程图系统采用正弦脉宽调制（SPWM）法，其基本思想是使输出的脉冲宽度按正弦规律变化，因此能有效抑制输出电压中的低次谐波分量，使电机工作在近似正弦的交变电压 下，且转矩脉动小，大大扩展了交流电机的调速范围。这里采用规则采样法生成SPWM脉冲序列。图10 规则采样法上图示出规则采样法。其方法是把1 个三角载波周期内的正弦调制波看成不变，在一个三角波周期只需在B点取样一次，这样可使生成的SPWM脉冲的中点与对应三角波的中点，即负峰点A 重合，从而使SPWM脉冲的计算大为简化。下面介绍有关算法。设uc幅值，正弦调制信号，

23、其中调制度。由图7可见，ABCEDA，故有： （4-1）由上式可得取样时刻SPWM脉冲的频宽： （4-2）脉冲两边的间隙宽度为： （4-3）由同步调制原理可知，载波比为常数，由此可得： （4-4）对于正弦函数，可预先计算出对应于各点的值，制成表格，存于EPROM中，以备查用。同步调制方式中，N 为常数且为3 的倍数。考虑到固定的载波比，在正弦调制频率的高频段，fc可能过高，以至于超过主电路功率开关器件的最高频率，以及Tc过短，以至小于定时器控制所允许的时间；而在低频段，fc 过低可能使负载电机产生较大的转矩脉动和噪声。因此，采用分段同步调制，即低频段采用大载波比，高频段采用小载波比。这里采用6

24、 段同步调制，f1 为输出频率，取： 4.2 各部分协调具体设计4.2.1 主程序1) 主程序框图图11 主程序框图2) 主程序部分程序#include "math.h" #include "f2407_c.h" #define PI 3.1415926 #define LED port40 volatile ioport unsigned int port40; extern void ini(void); extern interrupt void timer2_isr(void); void delay5s(void); float sin_tab

25、le33=0,0.189,0.371,0.541,0.690,0.815,0.909,0.972,0.98, 0.972,0.909,0.815,0.69,0.541,0.371,0.189,0, -0.189,-0.371,-0.541,-0.690,-0.815,-0.909,-0.972,-0.98, -0.972,-0.909,-0.815,-0.690,-0.541,-0.371,-0.189,0; extern float b_time; extern void adc_soc(void); extern void init_adc(void); /*extern void qep

26、_init(void);*/ void main(void) unsigned int i,j; int F=0; ini(); init_adc(); /* qep_init();*/ asm(" CLRC INTM"); /* start process*/ for(i=0;i<10;i+) delay5s(); delay5s(); delay5s(); delay5s(); delay5s(); /* begin speed control*/ *IMR |= 0x0001; adc_soc(); while(1) f=*RESULT5>>6; i

27、f(F=0)LED=0x00; else if(F>0&&F<128)LED=0x80; else if(F>=128&&F<256)LED=0xC0; else if(F>=256&&F<384)LED=0xE0; else if(F>=384&&F<512)LED=0xF0; else if(F>=512&&F<640)LED=0xF8; else if(F>=640&&F<768)LED=0xFC; else if(F&g

28、t;=768&&F<896)LED=0xFE; else LED=0xFF; ; void delay5s(void) unsigned long i; for(i=0;i<500000;i+); 4.2.2 A/D转换1) A/D转换程序框图：图12 A/D转换程序框图2) A/D转换部分程序void init_adc(void)  *ADCTRL1=0x00;  *ADCTRL2=0x0504;  *MAX_CONV=0x07;  *CHSELSEQ1=0x3210;

29、60; *CHSELSEQ2=0x7654;                                        void adc_soc(void) 

30、0; *T4CON=*T4CON|0x40;   void interrupt adcint(void)   asm("clrc SXM");  Speed_resulti = T4_NUM1 - T4_NUM0;  T4_NUM0 = T4_NUM1;if(!(i%I_DIV)   adc_res=*RESULT5>>6; 

31、   I_resulti/I_DIV=*RESULT0>>6; if(adc_res>0x3fe)adc_res=0x3fe; if(adc_res<0x01)adc_res=0x01; *ADCTRL2|=0x4200; *T2PR=1.76*adc_res+200; b_time=fv_cn/(float)*T2PR); if(b_time>1)b_time=1;  i+; if(i>=I_LOOP) i =

32、0;0; asm(" CLRC INTM");  /* INTERRUPT SERVICE ROUTINES */ interrupt void timer2_isr(void)     *EVAIFRB = *EVAIFRB & 0x0001;      /* clear T2PINT&#

33、160;flag */    a=*CMPR1=b_time*pwm_half_per*(0.5+0.5*sin_tableindex_pwm%num_f_d); b=*CMPR2=b_time*pwm_half_per*(0.5+0.5*sin_table(index_pwm+(2*num_f_d)/3)%num_f_d); c=*CMPR3=b_time*pwm_half_per*(0.5+0.5*sin_table(index_pwm+(num_f_d)/3)%num_f_d); *CMPR1=pwm_half_per*sin_

34、tableindex_pwm%(num_f_d); *CMPR2=pwm_half_per*sin_table(index_pwm+(2*num_f_d)/3)%(nu m_f_d); *CMPR3=pwm_half_per*sin_table(index_pwm+(num_f_d)/3)%(num_ f_d);  index_pwm+; if(index_pwm>=num_f_d)index_pwm=0; 4.2.3 SPWM 1) SPWM框图SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间

35、占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。图13 SPWM框图2) SPWM部分程序#include    "f2407_c.h"  #include  "math.h" #include "var.h" unsigned int period; unsigned int duty; unsigned int index_

36、pwm=0; unsigned int a,b,c,aaa=0; /* Constant Definitions */ #define PI  3.1415926 extern float sin_table99; unsigned int adc_res=500; unsigned int I_resultI_LOOP/I_DIV; /*unsigned int S

37、peed_result2048;*/ unsigned int i=0; float fv_cn = 0; /*unsigned int T4_NUM0=0; unsigned int T4_NUM1=0; /* MAIN ROUTINE */ void ini(void)  /* Configure the System Control 

38、;and Status registers */  *SCSR1 = 0x00FD;  *SCSR2 = (*SCSR2 | 0x000B) & 0x000F; /* Disable the watchdog timer */  *WDCR  = 0x00E8; /* Setup external&#

39、160;memory interface for LF2407 EVM */  WSGR = 0x0040; /* Setup shared I/O pins */     *MCRA = 0x0fc0;              

40、0;      /* group A pins */     *MCRB = 0xFE00;                     /* group B pins */ 

41、;    *MCRC = 0x0000;                     /* group C pins */ /* Configure IOPF5 pin as an output */ &

42、#160;   *PFDATDIR = *PFDATDIR | 0x2000; /* Setup timers 1 and 2, and the PWM configuration */     *T1CON = 0x0000;          &

43、#160;         /* disable timer 1 */     *T2CON = 0x0000;                    /* disable tim

44、er 2 */      *GPTCONA = 0x0080;         /* Timer 1: configure to clock the PWM on PWM1 pin */ /* Symmetric PWM, 20KHz carrier

45、 frequency, 25% duty cycle */     *T1CNT = 0x0000;                    /* clear timer counter */    &

46、#160;*T1PR = pwm_half_per;             /* set timer period */     *DBTCONA = 0x0000;              &#

47、160;/* deadband units off */       *ACTRA = 0x0666;                  /* PWM1 pin set active  high */ *COM

48、CONA = 0x8200;                /* configure   COMCON register */      *T1CON = 0x0840;         &

49、#160;        /* configure T1CON   register */ /* Timer 2: configure to generate a 250ms periodic interrupt */     *T2CNT = 0x0000; 

50、0;                  /* clear timer counter */     *T2PR = timer2_per;              &#

51、160;  /* set timer period */     *T2CON = 0xD740;                    /* configure T2CON register */ fv_cn 

52、;= (312500.0/(num_f_d*U_DC*F_V_radio); /* Setup the core interrupts */     *IMR = 0x0000;                      /* c

53、lear the IMR register */     *IFR = 0x003F;                      /* clear any pending core    &

54、#160;*IMR = 0x0004; interrupts (in1,in3); /* Setup the event manager interrupts */     *EVAIFRA = 0xFFFF;                 

55、60;/* clear all EVA group A interrupts */     *EVAIFRB = 0xFFFF;                  /* clear all EVA group B int

56、errupts */     *EVAIFRC = 0xFFFF;                  /* clear all EVA group C interrupts */     *EVAIMRA =&

57、#160;0x0000;                  /* enable desired EVA group A interrupts */     *EVAIMRB = 0x0001;       &#

58、160;          /* enable desired EVA group B interrupts ENABLE TIME2*/     *EVAIMRC = 0x0000;              

59、;    /* enable desired EVA group C interrupts */     *EVBIFRA = 0xFFFF;                  /* clear all EVB group A interrupts */