现代交流调速系统-第4章

现代交流调速系统-第4章第一页，共27页。第四章现代交流电机数字控制基础§4.1通用瞬时功率理论简介§4.2交流电机数字控制结构§4.3微控制器（MCU）§4.4数字信号处理器（DSP） §4.4.1数字信号处理器的发展和特点 §4.4.2电机控制专用数字信号处理器§4.5复杂可编程逻辑器件（CPLD） §4.5.1可编程逻辑器件的发展 §4.5.2CPLD器件的特点 §4.5.3CPLD产品简介§4.6运算放大器的选择§4.7交流电机控制常用电路思考与练习四第二页，共27页。§4.1通用瞬时功率理论简介传统的功率概念：以正弦电源和线性负载为背景的。有功功率是指一个工频周期内的平均功率，物理意义是电路实际消耗的功率；无功功率代表负荷和电源之间能量交换的一种量度，是储能元件（电容、电感）吞吐能量能力的反映。通用瞬时功率理论：应用于非正弦、不平衡以及含有零序电流、电压的三相四线不对称系统或电路，有较强的一般性和明确的物理意义，并且可以包含传统的功率定义，具有一定的代表性。第三页，共27页。通用瞬时功率定义的性质：传统功率理论的性质得到了保持三相电流空间矢量总可以分解为瞬时有功电流矢量和瞬时无功电流矢量；即平行于，而垂直于；当传送同样的有功功率所需电流i最小，这时，功率因数达到最大。第四页，共27页。§4.2交流电机数字控制结构

数字控制部分由电机控制专用DSP芯片、程序存储EPROM、PWM控制软件部分、PWM驱动及隔离部分、电压/电流互感器及其整形电路、控制电源部分、模拟保护电路部分、以及外围部分（如通信、报警、显示等）等几个大的电路模块组成。具体的交流电机数字控制电路结构示意图如图4-1所示。 第五页，共27页。§4.3微控制器（MCU）

微控制器（MCU，国内又普遍称之为单片机）广泛应用于计算机外部设备、军事、工业、通信、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表等领域，并具有能大幅度提高使产品功能、精度和质量，电路设计简单、故障率低、可靠性高且成本低廉的优点。从目前的发展趋势来看，Flash技术、在线可编程、低功耗及大规模集成是今后微控制器的发展方向。美国ATMEL公司是全球著名的高性能、低功耗、非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司。以下主要简单介ATMEL公司生产的AVR微控制器的特点：可靠保证Flash程序存储器1000次电擦写；内部含有较大容量、可靠保证10万次电可擦写的数据EEPROM存储器第六页，共27页。易于组成最小系统；执行速度高，指令效率高；低电压，低功耗，高驱动；程序加密性好；简便易学，开发工具价廉物美；可扩展性强，可为用户定制专用芯片；AVR系列微控制器物美价廉，雅俗共赏，生命力长久。第七页，共27页。§4.4数字信号处理器（DSP）§4.4.1数字信号处理器的发展和特点

数字信号处理器是实时数字信号处理技术的核心和标志。自1985年美国TI公司推出第一片数字信号处理器TMS320C10以来，DSP发展大致经历了三个阶段：第一阶段是以TMS320C10/C2X为代表的16-bit定点DSP。第二阶段推出了32-bit浮点DSP，目前代表产品有ADSP21020、TMS320C3X等型号。最近几年推出了性能更高的第三代DSP，包括并行DSP和超高性能DSP，如ADSP2106X、TMS320C4X以及新近推出的TMS320C67X、ADSP21160等型号。第八页，共27页。

DSP除具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改动，其结构特点如下：DSP普遍采用哈佛结构或改进的哈佛结构，比传统处理器的冯·诺依曼结构具有更高的指令执行速度；DSP大多采用流水线技术，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间；片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作；DSP大都配有独立的乘法器和加法器，使得同一时钟周期内可以完成相乘、累加两个运算，大大加快了FFT的蝶形运算速度；许多DSP带有DMA通道控制器，以及串行通信口等，配合片内多总线结构，数据块传送速度大大提高；第九页，共27页。配有中断控制器和定时控制器，可以方便地构成一个小规模系统；具有软、硬件等待功能，能与各种存储器接口。DSP具有以下功能，来支持其数字信号处理：单指令周期的乘、加操作；特殊的高速寻址方式，具有循环寻址、位反序寻址功能；能在单指令周期内完成多次存储器或I/O设备的访问；专门的指令流控制，具有无附加开销的循环功能以及延迟跳转（相当于预跳转）指令；专门的指令集，一个指令字同时控制片内多个功能单元操作；单片系统，有利于小型化设计；低功耗设计。第十页，共27页。§4.4.2电机控制专用数字信号处理器

1997年美国TI公司率先推出了用于电机控制的TMS320C24X数字信号处理器芯片，这一高度集成化的器件代表了微处理器及通用DSP处理器方案的重大突破，使易制造的交流电机的直接驱动及调速控制成为可能。之后，TI公司将之发展成为系列产品，目前普遍采用的是具备Flash程序存储器的TMS320F24X系列产品。与此同时，美国ADI公司推出了电机控制专用的ADMC331、ADMC401等数字信号处理器芯片。TI和ADI公司最近分别推TMS320F2812系列和ADSP21992系列DSP芯片，为电力电子技术和交流调速控制的进一步发展提供了可靠的硬件保证。第十一页，共27页。§4.5复杂可编程逻辑器件（CPLD）§4.5.1可编程逻辑器件的发展

随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统的设计者更愿意自己设计专用的集成电路（ASIC）芯片， 因而出现了现场可编程逻辑器（FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（EEPROM）。这些早期的PLD器件可以实现速度特性较好的逻辑功能，但是其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的逻辑电路。第十二页，共27页。

20世纪80年代，Altera和Xilinx公司分别推出了类似于PAL结构的扩展型EPLD（ErasableProgrammableLogicDevice）和与标准门阵列类似的FPGA（FieldProgrammableGateArray），它们都具有体系结构/逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点。这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，具有可实现较大规模电路、编程灵活、设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产中。第十三页，共27页。§4.5.2CPLD器件的特点Altera公司的CPLD器件具有如下主要特点：随着超大规模集成电路（VLSI）工艺的不断提高，CPLD芯片的规模会越来越大，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成；CPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投入芯片的风险，所以CPLD的研制开发费用相对较低；CPLD芯片和EPROM配合使用时，用户可以反复地编程、擦除使用，所以采用CPLD试制样品，能够以最快的速度占领市场；CPLD芯片和EPROM配合使用时，用户可以反复地编程、擦除使用，所以采用CPLD试制样品，能够以最快的速度占领市场；CPLD芯片的电路设计与开发周期很短；第十四页，共27页。采用CPLD进行电路设计时，不需要电路设计人员具备专门的集成电路（IC）的深层次知识，CPLD开发软件易学易懂，可以使设计人员集中精力进行电路设计；CPLD适合于正向设计（从电路原理图到芯片级的设计），对知识产权的保护非常有利；Altera公司的CPLD具有独特的内连线结构使得其内部连线率很高，不需要人工布局布线来优化速度和面积；AlteraCPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的（即设计输入不变的情况下每次布局布线后对其时序延迟是一定的），大大方便了电路设计人员设计电路；Altera公司的CPLD中一些产品具有在线配置功能，即此时无需将芯片断电，只需在计算机上修改电路设计并重新进行编译，最后通过一条称之为Byte_Blaster或Bit_Blaster的下载电缆下传给芯片。第十五页，共27页。§4.5.3CPLD产品简介

Altera公司的CPLD器件又可分为电可擦除可编程逻辑器件（EPLD）产品系列和灵活逻辑单元阵列（FlexibleLogicElementMatrix——FLEX）产品系列。其中EPLD又包含Classic、FLASHLogic和MAX5000/7000/9000系列；FLEX包含FLEX10K/20K/、FLEX8000/6000系列。FLEX系列器件采用嵌入式逻辑单元阵列结构，使用查找表（LUT）来实现逻辑功能，而多阵列矩阵（MAX）和Classic结构使用可编程的“与阵”和乘积项的固定“或”结构来实现逻辑功能。表4-5为Altera公司的CPLD器件的结构、用户I/O引脚和可用门数。第十六页，共27页。§4.6运算放大器的选择

在使用运算放大器时，应该对品种进行选择。首先决定想要制作的电路，然后考虑电路的功能及所需的性能等，最后进入运算放大器的选择阶段。下面就几个具有代表性的参数指标进行说明:电源电压：运算放大器一般使用正负两个电源供电。在使用时，军用规格（指美国军用规格——MIL规格）和工业等级产品一般以±20V为标准，民用等级以±15V为标准。而新的高速运算放大器出现了±5V的电源电压标准；输入/输出电压：输入电压分为差动输入电压（一般最大30V）、共模输入电压（一般最大不超过15V或电源电压的大小），输出电压一般为电源电压的70%左右；输入阻抗：采用CMOS工艺的运算放大器（如TL084）的输入阻抗很高，可达Ω；第十七页，共27页。输出阻抗：输出阻抗与运算放大器的负载能力有关，一般运算放大器的带载能力为2～10kΩ；输入失调电压：由于运算放大器不是理想的元件，实际上，当差动输入电压为零时，输出电压并不是零；此时要使输出电压为零，则需要在输入端子之间加入一个电压（称为输入失调电压）。输入失调电压会影响模拟输入信号的A/D转换精度，因而这个参数应该与A/D转换器的位数相匹配。LM324为7mV，TL084为3～15mV；单位增益带宽：LM324为0.4MHz，TL084为3MHz。运算放大器加入反馈后闭环增益每上升10倍，可使用的上限频率就下降10倍；第十八页，共27页。转换速率（SR）：是指输入阶跃信号时，输出电压随时间变化的最大速率，单位为。SR表示输出电压的瞬时变化能力。这个值越大，响应性能越好。SR越大，瞬时变化能力越强，交流特性也就越好；SR值即使不变，如果输出电压很小，延迟也会很小。所以，在小输出电压范围内使用可以提高交流特性。LM324的SR值为0.25，TL084为13；共模抑制比（CMRR）：LM324为80dB，TL084为86dB；工作温度范围：运算放大器可以使用的温度范围，根据使用的目的分为三类：军用规格（－55～125℃）、工业等级（－25～85℃或－40～85℃）及民用等级（0～70℃）。第十九页，共27页。§4.7交流电机控制常用电路反相放大器电路这种电路的主要特点是：输出信号与输入信号的极性相反电路的输入阻抗较低；是输入电平电容是起低通滤波作用的，可滤除输入信号的高频分量。第二十页，共27页。同相放大器电路该电路的主要特点为：输出信号与输入信号的极性相同；电路的输入阻抗高，其值就等于运算放大器的输入阻抗；R4和C1以及R5和C2构成了两个小时间常数的低通滤波环节；C1对输入信号起着超前补偿的作用，C2则对输入起滞后补偿的作用，用于抵消C1的超前作用。第二十一页，共27页。电压跟随器电路该电路的主要特点是：输出信号等于输入信号；输入阻抗高，其值就等于运算放大器的输入阻抗；用于信号的阻抗匹配。第二十二页，共27页。正向峰值检测电路该电路的特点是：输出信号为正向输入信号的峰值；输入阻抗高，就等于运算放大器的输入阻抗；该电路完全消除了二极管压降的影响。第二十三页，共27页。双向精密检波电路该电路的主要特点有：输出信号是输入信号的绝对值，故该电路也称绝对值电路；该电路完全消除了二极管压降的影响；

R7和C构成了一个起超前补偿作用的低通滤波环节：当其时间常数小时，用于滤除高频分量；当其时间常数较大时，用于输入信号的整流滤波；第二十四页，共27页。该电路