空调机温度智能控制系统

基于TMS320LF2407的变频调速电机的设计随着电子技术的发展、数字信号处理器(DSP)的广泛应用和传感技术的突破性发展，基于DSP实现的控制技术已被许多系统所采用。由于DSP器件具有较高的集成度，具有比单片机更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和fifo缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，最为突出的是，DSP器件精简的指令系统(大多数指令能在一个指令周期内完成)、独立的程序和数据空间等使其具有高速的数据运算能力，使设计出结构简单性能优越的矢量控制调速系统成为可能，因此DSP越来越多地被应用于电机控制中。本文主要讲述了TMS320LF2407DSP(DigitalSignalProcessor)芯片的特点及其在高性能调速系统中的应用。主要分为以下部分，即对课题背景即电动机交流调速及其发展的概述；对TMS320LF2407DSP芯片的介绍；对交流电机矢量控制策略、控制算法的具体设计；基于DSP实验装置的矢量控制交流调速系统设计及实验结果分析，通过分析论证了DSP有非常快的计算速度，适合于现代先进算法的实时实现，并且对于不同控制算法的实现只要改变系统软件，无须改变系统的其它部分即可完成，因此采用DSP来控制电机成为将来发展的趋势。关键词:关键词:2407型DSP，电机调速系统，异步电机矢量控制第一章前言1.1课题研究的目的，意义在我国60%的发电是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前己有一定规模。三相交流异步电动机，由于转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生，故而具有结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点，一经问世，就备受人们的青睐。与其他电动机相比，它在工农业生产设备中的占有率一直处于绝对领先的地位。另一方面，随着工农业生产的不断发展和进步，人们对调速的要求越来越高，而异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。然而，变频技术的出现改善了交流电机的调速性能。随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，诸多新型电控制技术不断被提出，使变频调速能很好地实现对交流电机的调速。作为高新技术之一的变频技术是重要的节能和环保技术，在各种工业生产、交通运输和家用电器中应用十分广泛。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果好等许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，有着十分广阔的发展空间。经过调研发现，在目前的石油系统中所使用的变频器大多是基于单片机研制的，虽然结构简单，但计算精度不高，而且很难做到实时检测，长期在恶劣环境下使用会因冷却装置出现故障而导致大功率晶体管的损坏。由于输入电源为三相高压强电，维修人员不容易检测。因此，开发和研制高性能的交流变频调速系统是十分必要的。本课题是以 TI公司的TMS320LF2407型DSP为核心构成交流变频调速系统，采用电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）变频技术，利用DSP芯片的高速运算能力，实现用很小的存储空间产生输出频率和调制比可任意改变的SVPWM波，方便了变频系统的在线调试，从而可以改善调速系统的性能。本课题的研究涉及电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技术等多门新兴学科的交叉与融合，能够节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会效益，因而该课题的研究具有一定的理论意义和实际应用价值。1.2国内外研究现状从60年代起，国外已开始了对交流调速的研究，特别是70年代初席卷世界先进工业国家的石油危机迫使他们投入了大量的人力和财力研究高效节能的交流调速系统，从而最终定位在变频调速这一热点上。起初，变频调速多采用电压频率协调控制的开环变频调速系统，但是其机械特性远逊于直流电机变压后的机械特性。70年代末期，SPWM技术的出现，以及矢量控制技术的提出和实现，使得异步电机变频后的机械特性可以达到和直流电机变压后的机械特性相媲美的程度，从而促进了交流调速技术的迅速发展。目前，国外对变频调速的研究主要集中在日本、欧洲以及美国，其中中、小容量以日本富士、三垦产品为主；大容量变频器则以德国SIEMENS、英国（法国）CEGELEC公司产品为主。在器件的选择上，大容量仍以可关断晶体管（GTO）,电流控制的大功率晶体管（GTR）为主；中、小容量以电压控制的绝缘栅双极性晶体管（IGBT）为主；为追求高可靠性、缩短研制周期，数字信号处理器0SP）和智能功率模块（IPM）的应用将更为普及。研究最多的仍是按磁场定向的矢量控制，技术上已经很成熟，且己经产品化，无速度传感器的矢量控制，在运行过程中能够进行参数自检测的通用变频器也有产品出现。而一些新的理论算法（如直接转矩控制DTC）多处于理论研究阶段，产品并不多见。在大功率交一交变频调速技术方面，法国阿尔斯通己能提供单机容量达3万kw的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量6万kw的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10-2600kVA和SImovertPGTOPWM变频调速设备单机容量为100-900kVA，其控制系统己实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kVA。IGBT变频器己形成系列产品，其控制系统也己实现全数字化。国内与国外相比，则有相当大的差距。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机、和轧机转动等方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的恒压频比（V/F）控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。目前国内变频器市场的绝大部分为国外产品占领，国内生产中、大容量的仍停留在GTR技术上，小容量的仅有少部分IGBT产品，质量上也不十分令人满意。且已实现的矢量控制方式，仍多以8031或8098为处理器，以数字化键盘操作的产品也不多见,方式较传统、性能较差。对国外已经成熟的矢量控制技术，在国内仍处于理论消化阶段，真正产品化的并不多见。这就说明我们需要更深入研究变频调速理论知识，逐步缩小同国外的差距。1・3本文主要研究内容变频调速技术以其显著的节电效果、优良的调速性能以及广泛的适用性而成为电气传动发展的主流方向。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决（基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的）硬、软件开发问题（在目前状况下主要是全数字控制技术）。数字信号处理（DigitalSignalProcessing）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。自20世纪70年代末80年代初世界上第一片单片可编程DSP（DigitalSignalProcessor，简称DSP）芯片的诞生，将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。TMS320LF2407是TI公司最新推出的高性能16位数字信号处理器，是'C24X家族中的新成员，是定点DSPC2000平台系列中的一员。专门为电机控制与运动控制数字化优化实现而设计，特别适合于三相异步电动机的高性能控制。它集‘C2xx内核增强型TMS320设计结构及适用于电机控制的低功耗、高性能、优化外围电路于一体，CPU内部采用增强型哈佛结构，四级流水线作业，几乎每条指令可在33ns完成，与F240相比性价比更好，构成控制系统的体积大大减小。本课题要研究的系统以TI公司的TMS320LF2407型DSP为控制核心，使用智能功率模块（IPM），并在此基础上采用电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制策略，对抽油机进行数字化交流变频调速系统的研究。因而本课题在理论上和方法上都具有一定的突破。第二章变频调速的简介2.1变频调速技术的发展现状目前,变频调速技术，已广泛应用于低压电动机的调速传动中，随着技术的进步和制造工艺的提高，高电压大电流变频调速器生产技术已逐渐趋于成熟，正逐渐应用在各个领域。在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通公司已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面,意大利ABB公司提供了单机容量的6万kW的设备用于抽水蓄能电站。罗克韦尔自动化公司生产的A-B变频器已经达到8500kW,德国西门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10~5600kVA和SimovertPGTOPWM变频调速设备单机容量为100~900kVA,北京先行新机电技术有限公司也率先研制成功HVF高压大功率直接变换变频调速系统，单机容量已达10・5kV、6000kV,正逐步在石油化工、冶金钢铁、水处理、水泥行业、管理运输、电力等行业得到广泛应用。其控制系统也已实现全数字化。其交流变频调速的高速发展有以下特点：1） 市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合，并取得显著的经济效益。2） 功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。3） 控制理论、微电子技术的发展和制造工艺水平的提高。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础;16位、32位、64位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。4） 基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套器件社会化、专业化生产。5）提高劳动生产率，降低能耗，节约生产成本。2・2变频调速的基本原理交流变频调速的基本原理是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变器转换为频率、电压可调的交流作为交流电机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压和电流，是一种无附加转差损耗的高效调速方式之一。通过改变电动机定子电源的频率，从而改变电机同步转速的调速方法。交流电动机的同步转速表达式位：n=60f(1—s)/p ⑴式中n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机极对数。由式⑴可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0〜50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流一直流—交流变频器和交流一交流变频器两大类，目前国内大都使用交一直一交变频器。其特点为：1、 效率高，调速过程中没有附加损耗；2、 应用范围广，可用于笼型异步电动机；3、 调速范围大，特性硬，精度咼；4、 技术复杂，造价高，维护检修困难。5、 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。但是由于受到环境，使用年限以及人为操作等因素，影响变频器的使用寿命大为降低，同时使用中也容易出现了各种各样的故障。2・3变频调速技术的应用变频器的典型应用是各种机械设备以调速、节能为目的的调速控制，其中又以风机、泵类设备的调速控制为重点。在根据水泵、风机的容量来选择电动机容量时一般都是按照最大容量进行设计的,而风机、水泵一个大的特点就是负载转矩与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。因此，将从前的电机以定速运转，用档板、阀门调节流量的方法，改用根据所需的流量调节转速,就可获得大量的节电效果。根据调节设备负荷变化情况，把用档板、阀门调节流量的方法，改用根据所需的流量调节转速，一般都可以节电30%~50%左右。在中国火力发电厂中,风机和泵的用电量占火力发电厂的自用电量的65%左右，这是中国火力发电厂厂用电率高的主要原因。其中，循环水泵、给水泵、灰渣（浆）泵、引风机、送风机、排粉机等更是用电大户，对这些设备进行变频调速改造，将大大降低能源消耗，降低厂用电率,节约生产成本。变频调速技术已成为节约能源及提高产品质量的有效措施。很多用户实践的结果证明，节电率一般在10%~30%,有的高达40%，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决.变频调速应于节能方面，一是能改善功率因数，电机在工频驱动时的效率是0.75-0.85恒定不变，变频器加电抗器后，功率因数在0.90-1.95间；二是通过减少电机的速度，减少输出转矩，进而减少输入功率。并且由于电机功率和频率的立方成正比，在能够满足使用要求的同时，通过降低频率可以达到明显节能的节能目的。由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）刈（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5%.2.4变频调速主要关键技术1・1高电压、大电流技术 动态、静态均压技术（6kV、10kV回路中3英寸晶闸管串联，静动态均压系数大于0・9）; 均流技术（大功率晶闸管并联的均流技术,均流系数大于0・85）; 浪涌吸收技术（10kV、6kV回路中）； 光控及电磁触发技术（电/光，光/电变换技术）； 导热与散热技术(主要解决导热及散热性好、电流出力大的技术，如热管散热技术)； 高压、大电流系统保护技术(抗大电流电力结构、绝缘设计)； 等效负载模拟技术。2・2新型电力电子器件的应用技术可关断驱动技术； 双PWM逆变技术； 循环变流/电流型交-直-交(CC/CSI)变流技术(12脉波变频技术)； 同步机交流励磁变速运行技术； 软开关PWM变流技术。2・3全数字自动化控制技术 参数自设定技术； 过程自优化技术； 对象自辩识技术。2・4现代控制技术 多变量解耦控制技术； 矢量控制和直接力矩控制技术；第三章TMS320LF2407DSP芯片简介3.1DSP芯片的发展及现状数字信号处理(DigitalSignalProcessing)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在20世纪80年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到20世纪70年代末80年代初世界上第一片单片可编程DSP(DigitalSignalProcessor，简称DSP)芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：⑴在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两RAM块中同时访问；⑷具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；⑸快速的中断处理和硬件I/O支持；⑹具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；(7)可以并行执行多个操作；⑻支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811,1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的tQD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。在这之后，最成功的DSP芯片当数美国德州仪器公司(TexasInstruments,简称TI)的一系列产品。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011,TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020,TMS320C25/C26/C28,第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列，即:TMS320C2000系列(包括TMS320C2X/C2XX),TMS320C5000系列(包括TMS320C5X/C54X/C55X),TMS320C6000系列(TMS320C62X/C67X)。如今，TI公司的一系列DSP产品己经成为当今世界上最有影响的DSP芯片。TI公司也成为世界上最大DSP芯片供应商，DSP市场份额占全世界份额近50%。下表2.1给出了Tl公司DSP芯片1982年、1992年、1999年的比较表。表2.1TIDSP芯片发展比较表（典型值）年份1982年1992年1999年制造工艺40.80.3MIPS5MIPS40MIPS100MIPSMHz20MHz80MHz100MHz内部RAM144字1K字32K字内部ROM1.5K字4K字16K字价格$150.00$15.00$5.00~$25.00功耗250mW/MIPS12.5mW/MIPS0.45mW/MIPS第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi公司，它于1982年推出了浮点DSP芯片。1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764,其指令周期为120ns,且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32o与其他公司相比，Motorola公司在推出DSP芯片方面相对较晚。1986年，该公司推出了定点处理器MC5600101990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC960020。美国模拟器件公司（AnalogDevices，简称AD）在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有ADSP2101/210彳2105 , ASDP2111/2115 , ADSP2161/2162/2164以及ADSP2171/2181，浮点DSP芯片有ADSP21000/21020,ADSP21060/21062等。自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。DSP芯片的飞速发展也使得DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。3・2TMS320LF240X系列简介TMS320LF240X系列是TMS320C2000家族中最新、功能强大的DSP芯片，其中LF2407是最具有革命性的产品，是当今世界上集成度较高、性能较强的运动控制芯片，特别适合于三相异步电动机的高性能控制。它与现存24xDSP控制器芯片代码兼容的同时，240x芯片具有处理性能更好（30mips）、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等优点，是电机数字化控制的升级产品。TMS320LF2407（简称2407）是「公司专门为工业控制领域量身定做的一款高性能、低功耗、高性价比的16位定点DSP芯片。2407继承了TMS320F24X系列芯片在数字电机控制(DMC)方面的优势，同时还提供相当丰富的外设资源，是一款相当不错的芯片，为工业系统的控制器设计提供了一个很好的解决方案。2407芯片是一款16位定点DSP芯片。它是Tl的TMS320LF240X系列芯片的超集，时钟达到30MHz(TMS320LF2407A为40MHz)，片内资源包括：2.5KRAM、32KFlash、BOOTROM、16路10位A/D转换器、2个事件管理器(包括16个16位PWM模块、4个16位通用定时器、6个捕获单元等)、外部存储器接口、看门狗模块、SCl/SPI接口、CAN控制器、PLL电路、40个通用1/0口、5个外部中断口，符合1EEEll49.1规范的JTAG接口(便于仿真调试和最终程序下载)。3・3TMS320LF240X系列主要特点两个事件管理器模块eva和evb,为开发者提供完整的、高效的马达控制方案，提供所有的pwm和io,可以控制所有类型的电机。采用高性能静态cmos技术，使得供电电压降为3.3v，减少了控制器的损耗；30mips的执行速度使得指令周期缩短到33ns,从而提高了控制器的实时控制能力。片内有高达32kx16位的flash程序存储器；高达2.5k字x16位的数据/程序ram；544字节双端口ram(daram)；2k字的单口ram(saram)。可扩展的外部存储器总共具有192kx16位的空间，分别为64k字程序存储器空间、64k字的数据存储空间和64k字的i/o空间。10位ADC转换器，其特性为：最小转换时间为500ns、8个或16个多路复用的输入通道，采集时间和转换时间分开，提高了采样率和输入阻抗，并且支持自动顺序采样，不需CPU干预。CAN总线控制器可以为控制器、传感器、激励源以及其它节点提供良好的通讯，特别适用于工业现场和汽车等强噪声和恶劣的环境中。5个外部中断(两个驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)3.4TMS320LF2407与TMS320F240主要特征比较一般而言，评价一种电机控制专用单片控制器的性能指标有几个方面:第一,基本指令数多少及执行时间快慢，决定了实现复杂算法的难易程度，系统适时性及保护功能的可靠性。第二，处理器内部可读、写存储容量大小；影响到了复杂算法的实现。第三，中断功能强弱及中断通道数目的多少，为交流调速系统保护功能的实现提供了保障。第四，有无用于脉宽调制硬件单元及可实现的调制范围宽窄，决定了能否实现高输出频率、低噪音变频器。第五，有无用于输入模拟信号的A/D转换接口，减小了硬件设计的体积与复杂性。第六，有无用于外围通信的同步或异步串行接口，为多处理器组合使用提供了条件。第七，芯片价格及开发环境的好坏，决定了工程实用化的进程。就上面所述指标，对 TI公司TMS320F240与TMS320F2407两种芯片进行比较，为设计不同性能的交流调速系统提供芯片选择依据。表2.2LF2407与F24O特征对照表指标类型TMS320LF2407TMS320LF240指令基本指令数8888乘法指令执行时间16位X16位ICLK16位X16位ICLK内存DARAM544X16位字（分B0，B1，B2块）544X16位字（分B0，B1，B2块）SARAM2K字无内部FlashROM32K字16K字I/O引脚总引脚数144132数字I/O接口4028A/D通道及转换时间16通道10位，S/H+转换500ns16通道10位，S/H+转换6nsCAN总线有无光电编码脉冲接口有有波形发生器事件管理器2个相同的事件管理器（EV）1个事件管理器PWM通道8通道比较/PWM输出（每个EV）12通道比较/PWM输出最高分辩率及调制频率33ns20KHz以上50ns20KHz以上保护接口有有中断功能外部中断源5个外部中断源引脚5个外部中断源引脚内部中断源42个中断源38个中断源中断优先级控制6级中断优先级6级中断优先级串行接SCI异步串行接口有有SPI同步串行外设接口有有

口开发环境在线仿真器性能强强C语言支持支持支持功耗供电电压编程5V,工作3.3V编程，工作5V低功耗模工作式3种4种第四章交流电机矢量控制策略4.1矢量控制控制算法是电机控制实时性的主要因素之一，也是控制精度的决定因素。因此应用先进合理的算法可以提高系统的性能。由德国学者fblashke提出的磁场定向矢量控制，是一种影响广泛的交流电机变频调速控制策略。矢量控制使感应电动机调速性能可与直流机调速性能相比美，实现瞬时值的控制且响应速度快，适用于精度要求高，动态响应好的场合。在以转子磁场定向的矢量控制系统中，一般把d-q坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d轴与转子磁场方向重合，此时转子磁通q轴分量为0[2]如图1所示。

图1异步电动机的旋转坐标系4・2矢量变换控制的方式矢量变换控制的方式主要有两种：转速闭环、磁通开环，转速、磁通都闭环的控制方式。在转速闭环控制中又可以分为有速度传感器和无速度传感器的矢量控制方式，本文采用速度磁通闭环，且有速度传感器的控制方式。控制系统在同步旋转坐标系中变换方程为：错误！未指定书签。错误！未指定书签。J气7①气%J气7①气%0co5(^+120)-3^-120")-5^+120")£J--I--uuo-

丄厲17211一咼.111■11.111■克拉克变换(clarktransform):111p1~2~2V3073忑-T~T_Jc_派克变换(parkransform):COS^-sin^COS^-sin^其中0为d轴与a轴的夹角。根据矢量控制原理，系统框图如图2所示⑶。图2矢量变换控制原理框图为使系统具有较好的动态性能和稳态精度，速度控制器和电流控制器均采用积分分离的pi控制，定子电流的转矩分量给定值iqref和励磁分量给定值idref都是在旋转坐标系中给出的，iqref是速度控制器的输出，idref与转子磁链给定成比例，可直接给出；两个电流控制器的输出即为定子电压矢量给定值在同步旋转坐标系中的两个分量uqref、udref，它们经坐标变换得到三相电压瞬时给定值ua、ub、uc,由pwm脉冲发生电路最终生成pwm脉冲信号，作为逆变器的输入信号；电流反馈信号经坐标变换得到两个电流的反馈量id和iq；转子磁链观测器的模型采用电流模型，将实测的电流和转速信号经变换得到转子磁通角0,以进行正确的磁场定向，这种方法比较适合计算机实时计算。第五章交流调速系统总体设计5.1系统硬件组成5・1・13・3v供电电源设计随着现代高速超大规模集成电路尺寸不断减小、功耗不断降低以及电器和电子产品朝着更轻、更小的方向发展，低功耗已成为现代单片机、数字信号处理器及各类IC所追求的一个目标。传统的单片机、数字信号处理器组成的控制系统，工作电压为5V。各生产厂家为适应发展趋势，不断推出低电压供电芯片，TI公司推出的数字信号处理器LF2407可工作在3.3v,降低功耗的同时也在一定程度上提高了数据处理速度。因此，低压工作芯片的发展对供电电源提出了新的要求。本节通过对3.3v电源方案的比较，着重设计了以ST公司产品LDI117为核心的3.3v电源系统，提供了一种高效、可靠的3.3v电源方案。1.几种常用3.3v电源方案比较方案一：采用线性调节器电路;具有以下特点适用范围有限（输出电压必须低于输入电压）效率低、参数不易调整、噪声低、控制简单等特点。图5-3采用线性调节器电路原理框图方案二：后处理电源稳压器电路;具有低压差、体积小、功耗低、输出噪声低、效率高的特点。另外，如果系统上具有+5v、+15v、+12v电源，那么可以方便的通过使用后处理电源稳压电路获得3.3v电源电压。图5-4给出了后处理电源稳压器原理框图。图5-4釆用后处理电源稳压器原理框图2.LDI117工作原理LD1117作为一种低压差电压调节器，分为两种类型、若干输出电压系列。一种为输出电压可调节型，另一种为输出电压固定型;输出电压种类包括2.5V、2.85V、3.0V、3.3V等。该器件提供了SOT-223、DPAK、50-8、SO-220等四种封装形式，其中SOT-223、DPAK封装具有较好的温度特性，在输出3.3V电压时能够提供800mA的输出电流，并且具有节省安装空间的的优点。1)电压可调节型与固定型LD1117工作原理如图5-5所示，可调节型LD1117的输出管脚(OUT)与调节管脚(ADJ)之间保持1.25V的稳定电压。调节管脚输出电流典型值为60uA，最大值为120uA,R1的阻值一般推荐为120欧。输出电压可由公式5-1计算得出。在使用过程中，Rl、R2的布局对电压调节特性有着很大的影响，Rl要尽可能地靠近OUT匕％屮+欝 <5-1)图5-5输出电压可调节型原理图5-6输出电压固定型原理图与ADJ管脚，R2与地连接的一端要尽可能的靠近负载的地端。同时，可通过在R2两端并联一个IOuF的电解电容来减小纹波电压。电流可变的电能形式，满足了不同场合功率的要求。例如输入Vin=5.3V时，输出电流可达到200mA;输入Vin=8.3V时，输出电流可达到950mA。图5-6给出了以LD1117V33C为例如输出电压固定为3.3V的低压差电压调节器。3.LD1117实现3.3v电源系统设计及实验结果以上对输出电压可调节型、固定型LDI117工作原理进行了简要的概述。下面结合技术指标的要求设计了3.3v电源系统并给出了实验结果。技术指标输入电压Vin=5V;输出电压Vout=3.3V;输出电流I。=0.2ALD1117的选择根据以上所述可知，LD1117有两种类型，多个系列，按照所提技术指标要求,选择输出电压固定型LD1117V33C，该系列具有O~15V的宽输入电压范围,输出电流最大可达1.2A，输出电压稳定输出3.3V等特性。5-7给出了3.3V系统原理图.图5-73.3V系统原理图低压差输出电压可调型、固定型有源电压调节器已成为低功耗小型系统供电的一种首选方式。除了本文所述的LD1117之夕卜,IMP公司推出的IMP37、MAXIM公司推出的撇X1792、1793等也是一些优秀的低压差三端稳压器，有些内部还增加了短路保护及热保护功能。低压差芯片的快速更新将不断满足系统低功耗、小型化、高速发展的需要5.1.2双极性电压控制变频器输出频率电路设计随着生产现场工作流程日趋多样化及生产自动化程度的不断提高，调速装置的频率设定方式（即设定调速装置运行频率的方法与物理通道）也不断扩展。从设定方式上可以分为:数字设定方式、模拟设定方式、特殊频率设定方式。对于每一种设定方式又可根据具体的设定频率来源及其方式细分为多种设定方式。如特殊设定方式中又可分为:多段速频率设定、PLC运行方式各阶段频率设定、过程PID控制时频率设定等等。模拟给定方式是一种常用的频率给定方式，以往的调速装置大多是单个的模拟给定通道，随着工业控制的日趋复杂，多个模拟量叠加控制要求的提出，多模拟通道给定（主给定十辅助给定）的模拟设定方式已在产品中加以应用。另外，以往模拟设定多以单极性输入（即输入信号中不包含转向信息）为主，随着工业控制的需要，双极性输入（输入信号中包含转向信息）己成为调速装置设计中不可缺少的一部分。按照工业生产标准，模拟输入信号有电流信号4〜20mA;电压信号:单极性0〜5V、0〜10V，双极性-10V〜+10V。本节设计了双极性模拟输入硬件电路。1•转向判别电路设计通常，调速装置控制电路中采用外部SF/SR开关来判别电机正、反转给定图5-9双极性判别电路为了保证在正、反转切换点开关不频繁动作，电路设计中采用滞环比较器，设定滞环宽度为-50mv〜+50mv,从而保证了中间有lOOmv的死区。图中VRC为经过倒向后的双极性输入信号，当VRC为0〜1OV时，U18A比较输出端为低电平使得三极管T9导通，输出一个低电平信号（即反转信号）:反知，当VRC为0~10V时，U18A比较输出端为高电平使得三极管T9截止，输出一个高电平信号（即正转信号），从而完成对正反转极性的判断2•幅值转换电路双极性输入为-10v〜+10V的电压值，而LF24O7微处理器能够处理的电平为0-3.3V，因此需要设计幅值转换电路来把输入电压转换到响应的范围。设计中采用绝对值电路实现双极性到单极性的转换，电路如图5-10所示。其工作原理为，输入input为-10v〜+10v，经第一个反相比例电路变为+5v~5v，即U1=+5v〜-5v。U2A与二极管、电阻组成一个绝对值电路，当输入Ul为正时，二极管D1截止，D2导通，输出电压Uo.=-2U.;当输入U，为负时，二极管D1导通，D2截止，输出电压比=0;UZB的输入端为Ul十Uol，下式5-2给出了当Ul为正或负时U1+Uol

的值。表5-1输入输出实测数据表UiU1U0UiU1U0-9.9734.983.39.881-4.9243.25-9.4744.713.149.373-4.6713.09-8.374.182.788.163-4.0662.69-7.283.632.417.153-3.5642.35-6.283.132.086.174-3.0472.01-5.412.691.794.637-2.3081.52-4.392.481.454.13-2.061.36-3.431.711.133.67-1.831.2-2.531.260.832.76-1.370.91-1.540.770.511.80-0.890.59-1.030.510.340.16-0.530.35-0.830.410.270.86-0.430.28-0.640.320.210.69-0.340.23-0.480.240.150.42-0.210.13-0.30.150.100.33-0.160.11-0.130.060.040.17-0.090.05-0.050.020.020.09-0.050.04Ul+Uokf-2UkUl=-lJlUl^OO+U1^U1Ul<0Ul+Uokf-2UkUl=-lJlUl^OO+U1^U1Ul<0图5-10幅值转换电路原理图步L前入输J1!实测数据53Uo5-9573 !4.98339.58L492斗\ 3.25-94744711149.3733.09-8374.1S 1278蛊163-4.0662.69-7.283.632^17.153-3.564235表5-1给出了输入为正负10V时输出变化实测数据。图5-10中，U2B与电阻组成反向比例放大器，实现输出U0=U1•通过计算，实