基于DSP的异步电动机的变频系统控制板的硬件设计毕业设计.doc

基于dsp的异步电动机的变频系统控制板的硬件设计摘 要随着电力电子技术的不断发展，电气传动控制在工业中起着极为重要的作用，为了满足高性能、节能等要求，交流调速控制系统以其特有的优点正逐步取代传统的直流调速，已经在电气传动领域中得到广泛的应用。本文主要介绍了基于dsp的交流异步电机变频调速控制系统的设计。首先，分析讨论了交流异步电机的数学模型，针对交流异步电机数学模型的高阶、非线性、强耦合的多输入多输出特点，讨论了交流电机的矢量控制。其次，在分析了变频调速系统控制器的功能需求基础上，以ti公司的tms320lf2812作为变频调速系统控制系统的核心处理器，进行了控制板的电源电路、存储器电路、通讯以及调理电路的设计。设计了控制板硬件原理图和pcb图。最后，针对系统多电源、高频率、弱电与强电等特点，分析了变频系统的电磁干扰，对软、硬件抗干扰措施进行了讨论。关键词：dsp，磁场定向，交流异步电机，变频调速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 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 regulating 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 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 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毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为 。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日目 录1 绪论11.1 本课题的研究背景和研究意义11.2 交流变频调速技术发展概况及其运用21.2.1 电力电子技术的发展21.2.2 控制策略和控制理论的发展31.2.3 全数字化高性能微处理器运用于电机控制41.2.4 目前变频技术的发展趋势、展望51.3 本文的主要内容52 矢量控制原理概述62.1 转子磁链定向条件下的电机模型62.2 转子磁链开环转差型矢量控制系统的算法92.3 坐标变换技术112.3.1 三相静止/任意二相旋转坐标系上的变换(3s/2r变换)112.3.2 二相静止/二相旋转变换(2s/2r变换)112.4 空间电压矢量调制(svpwm)123 变频系统控制板的硬件设计143.1 tms320f2812简介143.1.1 tms320f2812 dsp简介143.1.2 程序编写和调试153.2 电源电路设计163.3 存储器扩展电路设计173.4 通讯接口电路设计183.5 调理板电路设计203.5.1 电流采样调理电路设计203.5.2 电压采样调理电路设计214 控制板pcb设计234.1 pcb布局234.2 pcb布线245 抗干扰讨论分析275.1 变频调速系统的电磁干扰275.1.1 电源对系统的影响275.1.2 瞬态脉冲对数字电路的干扰275.1.3 分布电感、电容对信号的影响285.2 硬件抗干扰技术285.2.1 系统电源的电磁兼容设计285.2.2 接口电路的抗干扰措施295.2.3 ipm电磁兼容设计295.2.4 电路板布局设计295.2.5 合理布线305.3 软件抗干扰技术305.3.1 离散信号的采样和滤波315.3.2 模拟信号的采样和滤波315.3.3 软件对异常情况的处理方法31结论32致谢33参考文献34-36- 1. 绪论1.1 本课题的研究背景和研究意义随着世界经济的不断发展，科学技术不断提高，环保和能源问题日趋成为人们争论的主题。充分有效地利用能源已成为紧迫的问题，为了寻求高效可用的能源,各个国家都投入了大量人力财力，进行不懈的努力。就目前而言，电能是全世界消耗最多的能源之一，同时也是浪费最多的能源之一，为解决能源问题必须先从电能着手，其中起代表性的就是电机的控制1-2。电机是一种将电能转换成机械能的设备，它的用途非常广泛，在现代社会生活中随处可见电机的身影，在发达国家中生产的总电能有一半以上是用于电机的能量转换，这些电机传动系统当中90%左右的是交流异步电机。在国内,电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。并且使用中的电机绝大部分还是中小型异步电机，加之设备的陈旧，管理、控制技术跟不上，所浪费的电能甚多。能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都起着极为重要的作用。在高速增长的经济环境下，我国能源工业面临着经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，我国能源利用效率比发达国家低很多。为此，国家十五计划中，在电机系统节能方面投入的资金高达500亿元左右，由此可见，在我国异步电机的变频调速系统将有巨大的市场潜能。在电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术迅速发展的今天，电气传动技术正面临着一场历史性的革命。经过了二十多年的发展，近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。在交流电机调速系统中，效率最高、性能最佳的是变频调速系统，因此，对变频调速的研究是当前电气传动研究中最为活跃、最有实际应用价值的工作。变频器产业的潜力非常巨大，值得强调的是，这里的“变频器产业”应该是“变频器技术产业”，或者是inverter technology产业。正如it产业不仅限于pc一样，变频器技术产业包括所有与变频器技术相关的产业，如电力电子器件的生产、驱动保护集成电路的生产、电气传动与系统控制技术、工业应用等。1.2 交流变频调速技术发展概况及其运用近年来，交流调速在国内外发展十分迅速，打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位，交流调速拖动已进入了与直流拖动相媲美、相竞争、相抗衡的时代，并有取而代之的趋势，这是现代电力拖动发展的主要特征。其主要原因有：电力电子技术的不断出新、控制策略和电机控制理论的不断完善、以及全数字化高性能高速度的微处理器不断发展等3。1.2.1 电力电子技术的发展由于交流电机的诸多优点和运用广泛，其调速系统早就得到人们的关注，早期的交流电机调速方法，如用绕线式异步电机转子串电阻调速、鼠笼式异步电机变极调速、在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就已被人们所认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于投资大，效率低，体积大而未能推广。20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等优点，从而使得交流电机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电机调压调速、串级调速等调速系统。到20世纪70年代出现了变频调速技术，变频调速具有高效率、高精度和宽范围等特点，是目前运用最广泛且最具有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类也很多，从早期提出的电压源型变频调速开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频调速控制系统。目前变频调速的主要方案有:同步电机自控式变频调速，正弦脉宽调制(sine pulse width modulation)变频调速，矢量控制(field oriented control)变频调速，直接转矩控制(direct torquecontrol)及无速度传感器控制等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闸管gto、电力晶体管gtr、绝缘门极晶体管igbt、mos晶闸管及mtc等具有自关断能力全控功率元件的发展，且控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微处理器控制，从而使变频装置的快速性、可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。1.2.2 控制策略和控制理论的发展由直流电机的结构可知，直流电机的电枢磁势和电机的励磁是相互正交的， 可以对电枢的电流和磁通分别进行控制，从而能够得到较理想的直流电机的转速调节性能和转矩调节控制性能。由于直流电机本身的结构复杂，还存在着换向器或电刷等器件，使得直流电机的容量受到一定的限制，维护也不方便。为此，交流异步电机以其独有的结构简单、耐用、运行稳定可靠、转动惯量小、制造成本低、维护少且方便、能够运用于恶劣环境等诸多优点，被广泛运用到工农业生产中。但是，交流异步电机的数学模型是一个非线性、强耦合、多变量的，不能像直流电机那样对磁通和转矩分别进行控制调节，在一定程度上抑制了交流异步电机的运用范围。在交流电机变频调速中应用最为广泛的是pwm控制，可以说pwm控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种pwm控制方式来完成的。目前已经提出并得到实际应用的pwm控制方案就不下十几种，关于pwm控制技术的文章在很多著名的电力电子国际会议上，如pesc、iecon、epe年会上已形成专题，尤其是微处理器应用于pwm技术并使之数字化以后，花样更是不断翻新。从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最小，到消除噪音等，pwm控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，高性能交流调速系统有：u/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，这些虽然基本上解决了异步电机平滑调速的问题，然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述控制系统还是比直流调速系统略逊一筹。主要原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。通过坐标变换重建异步电机的数学模型，可以使得异步电机等效于直流电机，从而象控制直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制，即矢量控制，又称为磁场定向控制。与矢量控制不同的是，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，而是简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的基于dsp的交流电机变频调速系统研究和实现磁链和转矩，并与给定值比较得出差值，实现磁链和转矩的直接控制。尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有待研究，比如：磁通的准确估计和观测、无速度传感器的控制方法、电机参数的在线辨识、极低转速包括零速下的电机控制、电压重构与死区补偿策略、多电平逆变器的高性能控制策略等更新更优的控制理论和控制策略。1.2.3 全数字化高性能微处理器运用于电机控制随着计算机技术和电力电子器件制造技术的发展以及新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向交流调速领域的不断渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展，为了满足现代人们对数字化信息的依赖，为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，为了提高交流调速系统自身的性能，必须实现交流调速系统的全数字化控制。单片机在交流调速系统中已经得到了广泛地应用。例如由intel公司1983年开发生产的mcs-96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型：8196kb、8196kc、8196mc等在通用开环交流调速系统中的应用较多。但是由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂，这就需要高性能、高速度的新一代微处理器，于是出现了数字信号处理器dsp(digital signal processing)789。因此，dsp芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到大展身手的舞台。dsp芯片生产商主要有：motorola公司、adi公司和ti公司，本课题采用的是ti公司专为电机控制而研发的tms320f240芯片。在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。std总线、工业pc总线、现场总线以及can总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。数字化控制或称微机控制，其优点是使硬件设计简化，柔性的控制算法使控制灵活、可靠，更易实现复杂的控制算法，便于故障诊断和监视。控制系统的软件化对cpu芯片提出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换，磁通矢量的在线计算和自适应参数变化而修正磁通模型，以及内部的加速度、速度、位置的重叠，外环控制的在线实时调节等，都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。可以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。1.2.4 目前变频技术的发展趋势、展望近几年来对电力电子装置控制技术的研究十分活跃，各种现代控制理论，如自适应控制、滑模控制和人工神经网络、以及智能控制(如专家系统、模糊控制、遗传算法、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等)和无速度传感器等高动态性能控制都是研究的热点，这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。交流变频调速控制系统广泛应用于机械、冶金、矿山、化工、石油、纺织、造纸、印染、水泥、船舶、铁路等行业，是最有发展前途的一种调速控制方式。从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1015年，就目前而言，尽管变频调速系统的研发在国内还比较活跃，但是市场上的绝大部分产品还是被国外产品所占据，为此，我们需要密切关注国际变频调速技术发展的趋势，紧跟着国内市场的需求，加快国内变频调速系统的发展，努力研制出自己的产品。1.3 本文的主要内容本课题主要是运用一种新型的电机专用控制芯片tms320f2812 dsp设计了中小功率变频调速系统的控制板，并进行了抗干扰措施的分析讨论。本论文的章节安排：第一章绪论，介绍了本课题研究的背景、方法及发展趋势；第二章介绍了矢量控制的原理及实现，以及svpwm原理；第三章主要讲了变频系统控制板的硬件设计，介绍了电源电路、通信接口电路以及调理板电路设计；第四章对控制板的pcb进行设计；第五章对硬件和软件抗干扰做了简要介绍。2. 矢量控制原理概述2.1 转子磁链定向条件下的电机模型异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，所以模仿直流电动机的控制策略，就可以控制这个等效的“直流电动机”从而获得较好的转矩特性，也就能够较好地控制异步电动机的电磁转矩了。由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量控制系统。由于是以转子磁链的方向作为m轴的方向，学术界也将这种控制策略称为转子磁链定向4。异步电机矢量控制调速系统的控制方式比较复杂，首先建立一个适当的数学模型对其进行分析。在忽略磁饱和、涡流及铁芯损耗且假定电机定转子三相绕组完全对称的前提下，建立异步电机的坐标系，在该坐标系中分别标出了abc三相静止坐标系、两相静止坐标系和以(相对于a相绕组轴线)旋转的dq旋转坐标系5，坐标系如图2-1所示。图2-1 异步电机的坐标系在dq坐标系下分析转子磁链定向时异步电机的模型以及以转子磁链定向的作用，选择，作为状态变量。则电压方程为： (2-1)在进行两相同步旋转坐标变换时只规定了d，q两轴的相互垂直关系和与定子频率同步的旋转速度，并未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置。如果取d轴沿转子磁链矢量r的方向，称之为m(magnetization)轴，而q轴为逆时针转90，即垂直于矢量r，称之为t(torque)轴，这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为mt坐标系，即按转子磁链定向的旋转坐标系6。由于是是转子磁链r的方向作为m轴的方向，此时应有： (2-2) (2-3) 将上式带入转矩方程式和式，并用m，t替代d，q，可得此时电磁转矩和电方程分别为： (2-4) (2-5)式(2-5)中，由于r=0，矩阵的第3列可改写为零。对于滑差频率，由第4行可得： (2-6)同时，由式(2-5)第3行可得： (2-7)式(2-7)表明，转子磁链r仅由定子电流励磁分量ism产生，与转矩分量ist无关，从这个意义上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的，而且rm与ist之间的传递函数是一阶惯性环节，其时间常数tr为转子时间常数，当励磁电流分量ism突变时，r的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电动机励磁绕组的惯性作用是一致的。由式(2-4)可知，te同时受到变量ist和rm的影响，仍然是耦合的。rm=|r|=const条件下电磁转矩te与转矩电流分量ist变成了线性关系，因此，对转矩的控制问题就转化为对转矩电流分量的控制问题。此外，由电机原理知，为了输出最大转矩，通常需要使电机工作在额定磁链状态。注意到在rm=|r|=const条件下，可由式(2-6)得到以下等式： (2-8)如图2-2所示，由于参数ls的值非常小，可以忽略耦合项1ls对各轴的影响，所以rm=const条件下电机可被分为两个相互基本独立并具有以下特征的子系统。(1) 由电压分量usm作为输入、定子电流的励磁分量ism决定的励磁子系统。该子系统可以保证电机工作在设计的额定励磁值附近，这样电机可输出最大的电磁转矩。(2) 由电压分量ust作为输入、定子电流的转矩分量ist作为输出的转矩子系统，转矩分量ist与转矩te为线性关系。图2-2中的项(lm/lr)rmr正比于转子转速，该项相当于他励直流电机的反电势。在mt坐标系下电机电压方程仍有4个独立状态变量，即定子电流ist，ism转子磁链矢量的幅值rm和位置r。图2-2 tm坐标上rm=|r|=const条件下异步电机的模型2.2 转子磁链开环转差型矢量控制系统的算法根据公式(2-1)与公式(2-7)等价性，利用式(2-7)得到的滑差频率计算磁链的位置，利用式(2-8)求得磁链幅值。这样构成的系统反而会简单一些。如图2-3所示，目的是求得转子磁链幅值rm和磁链位置r以在控制器中重构域电机相同的mt模型。设电机的tr已知，则可在控制器中设定tr*=tr，由于电机的定子电流is可测，由式可得转差角频率： (2-9) (a) 控制器中的模型示意 (b) 实际电机模型示意图2-3 电机中的mt坐标和控制器中的mt坐标此外，在系统中一般设计定制电流闭环以使得： ，即， (2-10)所以一般在工程上有： (2-11)式中，rm*为转子磁链幅值的指令值，其额定值可根据电机的参数求得。由于转子转速s可被检测，所以转子磁链的位置可由式(2-11)得出： (2-12)对于异步电机，由于其转子磁链的初始位置r(0)是由定子电流决定的，如果在系统运行开始时就采用矢量控制，可以认为r(0)=0。所以在tr*=tr和is*=is的条件下，依据式(2-9)可以通过控制器内的间接运算得到转子磁链的位置7。 (2-13)得到磁链位置r后，可以通过旋转变换得到励磁电流分量ism，进而可以根据式求得rm*并实施反馈控制，间接控制矢量结构如图2-4所示。 图2-4 间接矢量控制框图(1) 转速调节器asr的输出是转矩指令te*，由矢量控制方程式可求出定子电流转矩分量转差频率给定信号s*可由式(2-11)计算，而转矩电流分量ist*由式的变形即式(2-14)得到： (2-14)(2) 由式(2-11)用转差频率给定信号s*与测得的转子转速，可以计算出转子磁链的位置r*。(3) 定子电流励磁分量给定信号ism*和转子磁链给定信号r*之间的关系如式(2-7)所示。运行时如果设定rm*=const，就可以将式中比例微分环节省略，用ism*=rm*/lm得到ism*。此外，在条件下，某些控制方案化简式(2-10)和式(2-11)，按下式计算s*和ist*。 (2-15) (2-16)(4) 检测出的定子电流经3/2变换和旋转变换后得到mt轴上的ism istt，并由此构成电流反馈控制。(5) mt轴的电流调节器acr的输出为ism istt，经旋转反变换之后作为电压型逆变器的控制信号，在图中用2r/sv表示。(6) 图所示系统的电流控制在mt坐标系上进行。由于稳态时为直流形态，并且由图2-4可知电流环的传函简单，因此使用pi调节器就可以获得较好的电流响应，也就是获得较优良的转矩动态响应。间接型矢量控制系统的磁场定向由磁链和转矩的给定信号和速度检测值确定、靠无静差的电流环保证，并没有采用磁链模型实际计算转子磁链及其相位，所以属于间接的磁场定向。此外，转矩控制的效果取决于电流控制的快速性与精度以及控制器中的转子转差角频率s*是否与电机的真值s相等。2.3 坐标变换技术异步电动机的数学模型之所以复杂，是因为有一个复杂的66电感矩阵，它体现了影响磁链和受磁链影响的复杂关系，要简化数学模型，需从简化磁链关系入手。由图2-1可知，电机方程式除了用三相静止坐标系表示外，还可以用其它坐标来表示，如两相静止坐标系，两相旋转坐标系，根据本章设计需要，列出2s/2r变换和3s/2r变换的关系如下：2.3.1 三相静止/任意二相旋转坐标系上的变换(3s/2r变换)三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵和逆变换矩阵如下13： (2-17) (2-18)式(2-17)和式(2-18)中，为两相旋转坐标系d轴和三相静止坐标系a轴之间的夹角，旋转速度为=p。2.3.2 二相静止/二相旋转变换(2s/2r变换)二相静止坐标系、和二相旋转坐标系m、t之间的变换称作二相/二相旋转变换，简称2s/2r变换，其中s表示静止，r表示旋转。其中轴与轴是静止的，轴与m轴的夹角随时间而变化。二相静止坐标系到二相旋转坐标系的互换变换矩阵是8： (2-19) (2-20)2.4 空间电压矢量调制(svpwm)交流电动机中把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称做磁链跟踪控制，磁链轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量pwm控制”即svpwm控制9。svpwm从交流电机角度出发，从电机中产生的实际磁链矢量逼近跟踪定子磁链的给定轨迹理想磁链圆。此方法在电压利用率、电流谐波和过调制等方面具有优势，而对零矢量的合理控制可以明显地降低逆变器的开关损耗。空间电压矢量分布如图2-5所示。其中，称为零矢量，起平衡开关状态，减小损耗作用。如图2-5所示，在两相静止坐标系、下，uref在一个载波周期ts中的作用效果为，uref所在的扇区由u和u决定，由两相/三相坐标变换可得：(3-21)图2-5 空间电压矢量分布图当ua0时，令a=1，否则a=0；当ub0时，令b=1，否则b=0；当uc0时，令c=1，否则c=0。则扇区n=a+2b+4c，n与所属扇区的对应关系如表2-1所示。表2-1 扇区表n315462所属扇区空间矢量作用时间的计算：(2-22)则某扇区内一个pwm周期内两个非零矢量的作用时间如表2-2所示。表2-2 非零矢量作用时间表扇区号t1zy-z-xx-yt2y-xxz-y-zt1和t2求出后，还要对其进行饱和判断，若t1+t2ts，则定义为：(2-23)确定电压空间矢量切换点tcm1，tcm2，tcm3定义为：(2-24)则在不同扇区tcm1，tcm2，tcm3内根据表2-3进行赋值。表2-3 切换点赋值表所属扇区tcm1tbta ta tc tc tb tcm2ta tc tb tb ta tc tcm3tc tb tc ta tb ta 3. 变频系统控制板的硬件设计3.1 tms320f2812简介3.1.1 tms320f2812 dsp简介在选用dsp作为交流异步电机变频调速控制系统的微处理器，主要是因为德州仪器公司(ti)的dsp产品以及相配套的技术和开发环境在其运用领域具有较强的竞争力，在tms320系列的控制芯片中，有专门为逆变器和控制器、电动机、机器人、数控机床、汽车系统等控制系统而设计的tms320c/f24x系列。本课题采用的是tms320f2812的32bit定点dsp，它将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，它可产生pwm信号来控制电机的转速、转向，可支持指令的产生、控制算法的处理、数据的交流和系统控制等功能，因此被广泛应用于自动化系统、工业电机驱动系统等。tms320f2812具有如下特点6：(1) tms320f2812主要是应用高性能的静态cmos技术生产的；(2) 采用tms320c2xx的cpu为内核：有32位中央逻辑运算单元(calu)，内含32位累加器acc，16位16位并行乘法器，8个16位辅助寄存器；(3) 带有544字节的16位片上数据/程序双向ram，同时还带有16k字节的flash eeprom；(4) 指令周期为50ns(20mips)；(5) 双向的10位串行数模转换器，采样速率可以达到166khz，精度达到210即1024；(6) 带有功能强大的事件管理器：3个通用定时器、3个全比较单元、3个单比较单元、pwm脉宽调制电路、事件管理器模块中断控制电路、4个捕获单元以及qep正交编码脉冲电路；(7) 带有串行通讯接口模块(sci)、串行外设接口模块(spi)、数字i/o端口模块、can控制器模块，便于与外部设备通讯；(8) 中断管理系统和系统监视模块，带有实时中断看门狗电路；(9) 支持jtag硬件仿真；(10) 采用哈佛结构，带有8级硬件堆栈、6个外部中断和4级流水线操作，每条指令的执行过程可分为：取指令、译码、取操作数和执行指令四个步骤，由于dsp内部采用的是多总线结构，这就使得cpu可以同时进行程序指令和存储数据的访问，从而在内部实现了4级逻辑流水线操作，同时由于这四级流水线操作在同一时刻分别使用的是内部六条总线，因此并不会发生任何冲突，于是实现了四级流水线并行处理，大大提高了信息的处理速度；(11) 同时还带有工业温度标准、自动温度获取功能。3.1.2 程序编写和调试对2000系列dsp的开发环境而言，ti公司提供了一系列的软件和硬件平台，为用户建立了较好的开发环境，其中，主要包括宏汇编器/连接器、软件仿真、c编译器、evm评估板和仿真器以及相配套的开发工具。其开发工具可以分为代码生成工具和代码调试工具两大类，代码生成工具的作用是将c或汇编语言编写的dsp程序编译并链接成为可执行程序，代码调试工具的作用是对dsp程序及系统进行调试，使编写的程序达到设计目标9。ti公司提供的cc2000开发环境可以进行软件仿真，在pc机上正确安装好cc2000的4.10版本仿真软件，在桌面上将会出现两个快捷方式，先配置“setupccc2000”选择编译器的运行环境(c2xx simulator)；而“ccc2000”则是程序调试的仿真环境。该软件同时支持汇编和c语言的开发，一般的程序调试主要包括如下几个方面：源程序(.asm或者.c)是实现dsp要完成的功能，按编码块、数据块的格式编写，主要由以下几部分组成：(1) 文本段：.text，通常包含可执行代码；(2) 数据段：.data，通常包含已初始化的数据；(3) 预留段：.bss，通常为未初始化的数据保留空间；(4) 另外，还可以.usect，.sect或.asect伪指令创建命名段。命令文件(.cmd文件)是实现对存储器的程序存储器空间和数据存储器空间的分配，用memory和sections伪指令创建。memory伪指令是用来标识实际存在目标系统中且可被使用的存储器范围，每个存储器范围由具体名称、起始地址和长度组成。将编写好的源程序和命令文件放在同一文件夹，然后新建一个project文件，将源程序(.asm或者.c)和命令文件(.cmd文件)添加进来，同时将应用的头文件(.h)放在project目录下，若有c编写的程序，还要添加库文件(.lib)，设定系统的gel(.gel)文件，从而就可以进行编译产生目标文件(.obj)和汇编列表文件(.lst)。使用链接器将目标文件和命令文件中的信息组合在一起，产生可执行输出文件(.out)和映射文件(.map)。运行.out文件便可以进行软件调试，调试过程中可以进行单步运行、设置断点和探针、查看被访问的寄存器和存储器等等。同时需要指出的是：(.h)头文件，一般用于定义程序中的函数、参数、变量和一些宏单元，同库函数配合使用，因此，在使用库时，必须用相对应的头文件说明。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的功能有所增强，gel在cc2000下有一个菜单，可以根据dsp的对象不同，设置不同的初始化程序。3.2 电源电路设计tms320lf2812是低功耗芯片，所有引脚除了vccp在对flash进行编程时接5v以外，其他供电电源引脚供电电压均为3.3v。而3.3v电源一般需要通过5v电源变换得到，本设计采用美国ti公司生产的电源管理芯片的tps7333将外部输入的5v电压转换为3.3v，为dsp和cpld器件等需要3.3v电压的元件供电22。in端是电压输入端，输入电压可以是4.3v-10v之间，out端是电压输出端，在25时的典型值是3.3v，在-40125之间，输出电压最小为3.23v，最大为3.37v。tps7333具有极低的静态电流，典型值为285ma，输出电流可达500ma，具有power good(电源好)指示功能，电源电路如图3-5所示。图3-5 电源管理电路3.3 存储器扩展电路设计(1) ram扩展电路tms320lf2812内部数据存储器空间2k，程序空间32k。但在本系统中，2k数据空间不能满足大量数据处理的需要，因此需要扩展数据空间。在使用仿真器下载调试程序的过程中，如果没有外部程序存储器，控制程序改动后只能通过烧写方式进行验证，这不仅给程序开发带来了不便，并对dsp芯片使用寿命产生影响，因此为了调试的方便需要外扩程序存储器。本设计选用了cy7c1021vc33(44)同时作为dsp的外扩数据、程序储存器，该芯片是一个64k16 的静态sram，在这里将该芯片分为两个32k的空间来进行储存。该芯片的工作电压3.3v，是高性能的、cmos静态ram，存储速率快23,24。因为本设计将该芯片同时作为数据或者程序储存器来使用，所以对其使能端的设置很重要。对cy7c1021vc33(44)的基本操作有两种：使能的同时进行读和写。当输入信号以及同时为低电平的时候，选通该芯片并进行写操作。同样以及同时为低电平的时候，选通该芯片并进行读操作。在此将使能端接地始终使能，就是始终选通芯片。在存储的时候，需要程序操作或者是数据操作两种方式。所以要将使能信号和ds(数据空间选通)进行一个逻辑选择，接着就可以对外扩展空间进行程序或者数据的操作。而经过一个逻辑门以后使能信号才能到达cy7c1021，由于芯片的速度很高，同时输入进来的地址信号就可能不被正确识别。因此使用了a15来实现这个功能。将a15 地址线和相连接，当需要使用程序空间的时候，输出高电平，程序将访问高地址空间，相反，将访问低地址的数据空间，这样就实现了分开访问的功能。ram扩展电路如图3-7所示。(2) eeprom扩展电路由于电动变桨控制器经常需要在现场的时候改变参数或设置，并在调试完毕后将参数保存，这就要用到电可擦写的eeprom。xicor公司的x5043是带有4k位spi接口的eeprom，一个芯片同时具有四个功能：上电复位控制、看门狗定时器、电源电压监视和块保护的串行eeprom存储器10。该存储器可读/写100万次，数据可保持100年。在此只介绍其eeprom功能。x5043有多种封装，有5v和3.3v供电的型号。tms320lf2407a采用3.3v供电，因此本设计选择3.3v供电的型号。图3-7 ram扩展电路引脚说明：1脚()为片选，2脚(so)为串行输出，3脚()为写保护(接高电平时不保护)，4脚为地，5脚(si)为串行数据输入，6脚(sck)为时钟，7脚()为复位输出，8脚接电源。x5043和dsp的接口如图3-8所示。图3-8 串行eeprom3.4 通讯接口电路设计(1) can通信接口电路控制器局部网(can-controller area network)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，随着现代风力发电机组需要监测与控制的节点增多，can总线以其实时性好、可靠性高、抗干扰能力强的特点凸现了出来。can在风力发电机组变桨控制中可以实现电动变桨控制器与变桨上位主控器之间的通信。针对ti公司tms320lf2407a内嵌的can 模块的方便性和实用性11，本设计采用了can总线进行变桨控制器与上位主控制器的实时收发数据，并根据各自邮箱的标识符判别数据是接收还是丢弃。本设计可扩展性强，只需要在can总线上挂接带有can模块的控制器即可增加节点个数。can收发器选取了sn65hvd230，该芯片是ti公司生产的3.3vcan总线收发器，具有差分收发能力12，最高速率可达1mb/s。在本设计中，sn65hvd230是用来驱动tms320lf2812和物理总线间的接口，提供对总线的差动发送和接收功能。将收发器的数据输入端d与dsp的cantx相连，用于本can节点发送的数据传送到can网络中；将收发器的数据输出端r与dsp的canrx与相连，用于本节点接收数据。rs引脚为该收发器的方式选择引脚，只需将rs接逻辑低电平就可以使其工作在高速模式，此时的通信速率达到最高，没有内部输出上升斜率和下降斜率的限制，但最大速率的限制与电缆的长度有关，本设计中将rs接地。由于sn65hvd230提供3.3v电源供电，与lf2407a的供电电压相同，因此不需要做电平转换的处理。can总线电路如图3-9所示。图3-9 can总线电路 (2) rs232通信接口电路考虑到在变桨距控制器实验与测试阶段可以将其与pc进行串行通讯，在此设计了rs232的通信模块电路。tms320lf2812提供了串行通信接口sci模块，包括两个i/o引脚，分别是串行接收数据输入引脚(scirxd)和串行数据输出引脚(scitxd)。sci支持cpu与其他使用标准nrz(非归零)格式的异步外设之间的数据通信，sci收发器是双缓冲的，每个都有自己独立的使能和中断标志位，两者既可以独立工作，也可以在全双工模式下同时工作。通过对一个16位波特率选择寄存器的编程，可得到64 k种不同的波特率。对于40mhz的时钟输出，波特率最高可达到2500kb/s的速度。本设计中采用max232芯片作为控制器的异步串行通信转换接口。max232是符合rs232标准的串行通信驱动芯片，其低功耗关断模式可以将功耗减小到5w以内。在设计中需要注意的是，由于rs232是单5v供电器件，所以它同dsp间的信号线必须有电平转换，此板采用的是74ls2455。rs232的接口电路如图3-10所示。图3-10 rs232接口电路3.5 调理板电路设计本课题中，信号调理电路板就是接受来自传感器及编码器信号的电路板，该电路板将采集的信号转换成控制板a/d能够直接识别的信号后，送给控制板进行处理。3.5.1 电流采样调理电路设计电流检测就是实时检测三相交流异步电机的定子电流，将定子电流转化成控制板所能识别的数字信号。在矢量控制系统中，定子电流的精度和实时性是整个控制系统精度的关键，因此控制系统对定子电流的检测对精度和速度的要求非常高，在本课题中采用莱姆公司lts系列的lem霍尔电流传感器进行电流的检测。在此，电流采样调理电路选取了运算放大器tlc2274，采用了双减法进行电流采样。该芯片是ti公司用先进的lincmos工艺制造、具有rail-to-rail输出能力、满电源输出幅度的高性能四运算放大器，它比目前常用的cmos运放有更好的噪声、功耗和输入失调电压性能。tlc2272所具有的低噪声和高输入阻抗非常适宜用于诸如电压/电流传感器之类的小信号的计算、放大。本设计是将来自lem霍尔电流互感器电