嵌入式电机调速控制系统实现设计VIP

SHANDONG毕业设计说明书嵌入式电机调速控制系统实现设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 王哲 学 号： 0812104914 指导教师： 赵 洪 山 2012 年 6 月 - 18 -摘 要众所周知，能源是人类赖以生存的基础，而电能是当今社会不可或缺的能源之一，是国民经济发展的关键因素。电能属于二次能源，当今得到电能的方式主要有：火力发电，水力发电，太阳能发电，风力发电，核能发电。在我国，主要是水力发电和火力发电。虽然获取电能的方式有很多种，但是电能每年的空缺仍然存在，其中电能的浪费占有不少的比重。国内的电机容量已经达到了四亿千瓦，而中小电机占大多数，这些小电机和与其配对的设备陈旧，浪费电能甚多。这种情势下，交流异步电机的变频调速技术变应运而生了。变频调速精确，节能，智能，低成本的特点正好迎合了可持续发展战略。本设计研究的是基于2812数字处理器的电机变频调速，由2812产生PWM波形，通过调节占空比来调节电机转速。关键字：能源 电能 电机 变频 第一章 绪论AbstractAs is known to all, energy is the foundation of human survival. Electric energy is one of the most important energy in todays society, and is the key factor to the development of the national economy. Electric energy belongs to secondary energy, the ways of getting the electric energy are: coal-fired power, hydroelectric power, solar power, wind power, nuclear power. In China, Coal-fired power and thermal power are the mainly ways.Although there are some ways to get the electric energy, electricity is still vacant every year, of which the possession of a waste power proportion. Domestic motor capacity has reached four hundred million KW, and medium-sized motor accounted for most of these small motor. With its pairing of old equipment, waste electrical energy very much. This situation, frequency conversion is producted. Frequency control precision, energy saving, intelligent, low cost characteristics just cater to the sustainable development strategy.The design of the study is based on the 2812 digital processor of frequency conversion motor, PWM waves generated by 2812, through the adjustment of empty to regulation motor speed.Key words: Electric energy Power Frequency conversion Motor目录目 录摘要III ABSTRACT.目 录.第一章 绪论11.1 本课题研究的背景和意义1 1.2 交流电机变频调速的发展概况21.3 本设计研究的内容4第二章 基于DSP的异步电机变频调速设计42.1 DSP芯片选定52.2 SPWM波形生成的原理与控制算法102.2.1 生成SPWM波的数学模型102.2.2 关于生成的电压SPWM脉冲各参数的计算12第三章 异步电机变频调速的硬件电路设计193.1 整流电路193.2 滤波电路203.3 逆变电路223.4 IPM驱动电路243.4.1 驱动电源 243.4.2 控制信号输入253.5 保护电路273.5.1 IPM的自保护功能273.5.2 泵升电路293.5.3 其他保护电路293.5.4 电压检测303.6 控制电路设计313.6.1 DSP最小系统设计31第四章 变频调速系统的软件设计354.1 系统软件整体设计354.1.1 上位机程序界面354.1.2 上位机程序36总结 37参考文献38致谢. 39附录40 第一章 绪论1.1本课题研究的背景和意义电机俗称马达，是指依据电磁感应实现电能转换或传递的一种电磁装置。电机广泛应用于我们的生活、生产的各个领域中，例如：空调、机床、电动工具、电动车、机器人、家用电器、计算机驱动器、汽车、轮船、轧钢、造纸和纺织行业等等。电机应用范围如此之广，而且每台都需要电机调速控制，可见电机调速应用市场非常庞大。电机分为直流电机和交流电机两大类。直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，具有便于控制和控制精度比较高的特点，因此在很长一段时间内被广泛应用，而且被人们认为段时间内难以被其他类型电机取代。随着电力电子技术的发展，各种新型控制器件，晶闸管器件，先进控制方法与设备的在电机调速系统中的应用，使交流电机控制精度得到不小的提高；交流异步电动机是领先交流电压运行的电动机，广泛应用于电风扇、电冰箱、洗衣机、空调器、电吹风、吸尘器、电动缝纫机、食品加工机等家用电器及各种电动工具、小型机电设备中。笼型式异步电机的特点是结构简单牢固、制造成本低廉、运行方便可靠、环境适应能力强以及易于向高电压、高转速和大容量方向发展，再加上交流电机调速的技术正在完善，直流电机主导地位的将逐渐被交流电机所占领。另一方面，世界经济的发展，科学技术提高，同时伴随着环境污染和能源枯竭问题，并且已经成为人们争论的主题。治理环境污染并且充分有效地利用能源已成为紧迫的问题。当今社会，电能是全世界消耗最多的能源之一，同时也是浪费现象也很严重。为解决定性作用的就是电机的控制，具体一点说就是电机的转速控制。在西方家中生产的用于电机的能量占总电能的一半以上，在电机传动系统当中交流异步电机占90%。在我国，电机的总装机容量已达4亿千瓦，占据工业耗电量的80。并且使用中的电机绝大部分还是中小型异步电机，而与之配对设备的陈旧落后，同时管理和控制技术不完善，所以造成了电能的极大浪费。而电机的变频调速具备有启动功能，电机设计采用电磁设计，减少了定子和转子的阻值，适应不同工况条件下的频繁变速和节能的特点，因此，电机的变频调速控制足以引起人们的重视。同时对变频调速驱动配套系统也应具有效率高、精度高、可靠性高、功能多、智能小型化、成本低等特点，这样才能发挥交流电机变频调速的优势。显然，交流异步电机的变频调速系统的前景广阔，对其研究具有重要意义。12交流电机变频调速的发展概况在这个信息化时代，电力电子、微电子技术和计算机技术的可以说是日新月异，同时控制理论的逐步完备、条件与工具的逐渐成熟。这其中以专用集成电路、DSP和FPGA发展格外引人注目，这三大技术促进了交流调速的不断发展。交流电机变频调速控制系统己经成为集电机与电力电子传动、自动化控制、计算机控制和数字处理仿真为一体的新学科。变频调速技术的不断进步带动了各种实用型、高性能的变频器蓬勃发展。工业生产自动化程度的不断提高与变频调速装置有着不可分割的关系，变频调速装置的需求量越来越大也在情理之中。世界范围内，生产变频器的厂家也有不少，国内外著名的变频器生产厂家有德国西门子，日本富士，松下和三菱，美国艾默生，在国内有汇川，东元和时代等厂家。相比于国外，国内变频器生产起步比较晚，经过三十年的发展，国内的变频器开始出现了遍地开花的喜人景象，但是变频器的核心部件IGBT器件始终依赖进口，这在一定程度上也制约了国内变频器的发展。但是有一点不容忽视，国内众多变频器厂家的出表现了现代电力拖动迅速的发展。迅速发展的原因不外乎下面几个：一是电力电子技术的更新，二是电机控制理论的不断完备，三是与之配套的设施生产质量的提高，不如DSP这种数字化微处理器。下面具体谈谈交流异步电机调速的几个重要方面：第一，说电力电子器件是现代交流调速装置的核心部件一点也不为过，其发展交流调速的发展有着决定性的影响。当我们把可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、绝缘门极晶体管（IGBT）、MOS晶闸管等具有自关断能力全控功率元件运用到交流调速系统中时，可以发现制造出的变频装置在无论在性能还是价格上都可以与直流调速系统装置相比肩。在上世纪90年代，中小功率变频装置主要采用的器件绝缘门极晶体管，中到大功率变频装置多采用可关断晶闸管。电力电子技术的发展产生了高压绝缘门极晶体管、IGCT等更高性能的产品，而且还使得电力电子器件模块化更为成熟，智能化功率模块（IPM）、专用功率器件模块（ASPM）就是其中的佼佼者。第二，控制方法和控制理论的不断发展为调速系统性能不断进步的提供了理论基础。传统异步电机平滑调速中应用VF恒定调速度、开环速度控制方式的通用变频调速系统基本上可以解决问题。然而，对调速系统的动静态性能提出更高要求时比如生产机械，上述两种系统的调速性能还是差于直流调速系统的。原因在于上述两种系统的出发点不同，其中交流调速系统控制的规律的出发点是异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式，进一步推导得出稳态值，过渡过程并没有考虑，那么系统起动稳定性和低速时转矩动态响应性能不能令人满意。异步电机的特点就是变量多、耦合强、非线性的时变，这决定了异步电机很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但如果以转子磁通旋转的空间矢量为参考坐标，把静止坐标系转换到旋转坐标系，那么我们可以把定子电流中励磁电流分量和转矩电流分量变成两个标量独立开来。进一步，坐标等效变换重建后的异步电机模型就可等效为一台直流电动机，那么用于直流电机调速的方法便可以运用到异步电机上，比如进行快速的转矩和磁通控制（矢量控制）。矢量控制和直接转矩控制不同之处在于，后者摒弃了解耦的思想，而且把旋转坐标变换取消，只是简单地检测电机定子电压和电流，电机的磁链和转矩用瞬时空间矢量理论计算，最后所得结果与给定值比较，运用比较得出差值来实现直接控制磁链和转矩。高性能的微处理器和微控制器的出现，使得传统的模拟控制技术代替由数字控制技术已经成为必然。现今，电力电子电气传动控制中常用的微处理器有：单片机MCU（8081）、数字信号处理器DSP（2812）、精简指令集计算机SC和高级专用集成电路ASIC(含有微处理器)等。用于专门控制电机的芯片非专用型DSP莫属，TMS320F2812执行速度可达40MIPS，在25ns的单周期内可以完成几乎所有指令，并且内部自带产生PWM的外设，这些特点决定了TMS320LF2812可实现更强大的控制功能，而本系统采用的DSP处理芯片便是TMS320LF2812，作为本系统的核心部件TMS320LF2812可以完美的完成任务.13本设计研究的内容本设计结合国内外交流异步电机变频调速技术的发展情况，同时利用交流电机变频调速基本原理，目的是设计了一个基于DSP芯片TMS320LF2812为核心部件，以电压空间矢量SVPWM为理论方法，配以其他单元电路软件环境的交流异步电机变频调速系统的软硬件解决方案。作为核心部件DSP芯片2812实际应用上是重点。本设计主要内容包括：1通过研究异步电机的数学模型和电压空间矢量SVPWM来理解异步电机变频调速控制方法。2掌握电机控制专用DSP芯片2812的结构、工作原理以及最小系统的设计方法。3设计一台的小功率异步电机变频装置系统，该系统的单元电路包括由主电路、系统保护电路、控制电路和电压（电流）采样电路。4基于CCS集成开发环境，采用C语言编程实现PWM波形和电压空间矢量(SVPWM)控制算法，从而实现交流异步电机变频调速功能。5对系统实际实验结果进行分析与总结第二章 基于DSP的异步电机变频调速设计第二章 基于DSP的异步电机变频调速设计2.1 DSP芯片选定电力电子技术的发展带来的不仅是高新，还有新的产品，比如专用于电机的控制芯片已经由起初的由单一单片机控制发展为DSP和单片机混合控制芯片。初期应用的单片机主要是Intel公司生产的以51系列为代表的8位单片机，后来发展为以96系列的16位单，再后来上世纪80年代出现数字处理器DSP，现在的发展方向是DSP内核配套MCU外设的混合芯片。根据我搜集的资料显示，具有代表性的电机控制芯片有以下几种：单片机方面：80C196MC（Intel）、MC9S12H256(Motorola)、LPC22102220(Phi1ips)、M16C和SH2(Renesas)；DSP方面:ADMC401(AD)、DSPIC30F6010(Microchip)、TMS320LF2407F2812(TI)等。TMS320系列DSP的体系结构处理实时信号效果非常好，它的特点是指令集灵活、运算能力高速、具有并行结构、性价比高。TMS320F2812的运行频率达到了40MHz，其运行速度是远远大于通常工业控制中使用的51等单片机，该系列DSP是专门适用于电动机控制，它DSP的高运算速度和单片机的强大控制能力于一身。TI公司的TMS320F2812芯片是DSP控制系列的新成员，2812芯片成本低、功耗低、处理能力强大，对电机的数字化控制非常有用。再将几种先进外设集成到该芯片内，变形成了真正的单芯片控制器。2812不仅可以与现存DSP控制器芯片代码兼容，而且处理性能更好，主频高，更高的外设集成度，更大的程序存储器，更快的A/D转换速度，是电机数字化控制的高级产品。综合设计要求和芯片性能，本设计选择TMS320F2812作为核心芯片。2812有以下特点:1、采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗;40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns 从而提高了控制器的实时控制能力。2、基于TMS320C2xx DSP的CPU核，保证了TMS320F2812系列DSP代码和TMS320系列代码兼容。3、片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM ，544字双口RAM和2K字的单口RAM 。4、两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括:两个16位通用定时器;8个16位脉宽调制PWM通道。它们能够实现:三相反相器控制;PWM的对称和非对称波形;当外部引脚PDP1NTx出现低电平时快速关闭PWM通道;可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲;3个捕获单元;片内光电编码器接口电路;16通道A/D转换器。事件管理器模块适合用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。5、可扩展的外部存储器F2812总共192K字空间;64K字程序存储器空间;64K字数据存储器空间;64K字I/O寻址空间。6、看门狗定时器模块WDT。7、10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。8、控制器局域网络（SCAN) 2.0B模块。9、串行通信接口CSCD模块。10、位的串行外设（SPI）接口模块。11、基于锁相环的时钟发生器。12、高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚（GPIO)。13、5个外部中断和两个电极驱动保护、复位和两个可屏蔽中断。14、电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。内部资源与功能如图2-1所示。2.1.1 TMS320F2812的事件管理器(EV)TMS320F2812提供了两个事件管理器EVA和EVB模块，用于运动控制和电机控制。每个事件管理器模块都含有:1、两个16位通用可编程定时器GP timer1, GP timer2。2、3个全比较单元和与之对应的脉宽调制电路PWM 。3、3个捕获单元CAP 。4、正交编码脉冲（QEP)电路。5、中断逻辑。图2-2示出了事件管理器EVA的结构框图。4个16位通用定时器可用于产生采样周期，为捕获单元和QEP单元提供时基，也可作为比较单元产生CMP/PWM输出和软件定时的时基。每一定时器各有6种工作模式，各带一个比较逻辑单元，当计数器值与比较寄存器值相等时，比较匹配发生，产生相应动作。每个全比较单元以定时器为时基，可输出2路带可编程死区的CMP/PWM脉冲;每个简单比较单元以定时器为时基，可输出1路CMP/PWM脉冲。通过设定定时器工作在不同方式，可选择全比较单元输出非对称PWM波、对称PWM波或空间矢量PWM波。全比较单元的6路PWM电压波形可作为交流感应电机或直流无刷电机三相功率放大器的输入信号，还可用于控制开关磁阻电机和同步磁阻电机，以及传统的直流电机和步进电机;简单比较单元输出的3路PWM脉冲可用于功率因素校正、谐波抑制等。捕捉单元用于高速I/O的自动管理，它监视输入引脚上信号的变化，记录输入事件发生时的计数器值，即记录下事件所发生的时刻，并且该部件的工作由内部定时器同步，不需要CPU干预。 图2-1 DSP内部资源和功能图2-2 事件管理器A结构框图定时器提供正交编码脉冲（QEP)电路的时间基准，光电编码器产生的相位差90度。正交编码脉冲单元的方向检测逻辑首先判断输入到正交编码脉冲单元CAP1/QEP1，CAP2/QEP2引脚的两脉冲前沿到达的先后，再决定计数器的计数方向，这个过程称为鉴相; 正交编码脉冲电路对这两个正交脉冲输入信号的两个边沿进行计数，经过计数产生的输入序列的4倍频作为定时器的输入时钟。在DSP内核有6个可屏蔽中断（INT1 INT6)和一个非屏蔽中断NMI，优先级最高的是非可屏蔽中断NMI。从INT 1到INT6，优先级依次降低。事件管理器中断分为三组，分别在由INT2, INT3和INT4向CPU发送中断请求。在每个中断组中都含有一个中断标志寄存器和一个中断屏蔽寄存器，全部的事件管理器各部件产生的中断源全部位于三个中断组，我们可根据实际需要来配置中断屏蔽寄存器和编制中断服务程序，这样便可以满足各种复杂的控制要求。2.2 SPWM波形生成原理与控制算法经过长期的发展,SPWM技术目前已经在实际中得到非常普遍的应用,大致可分为电压、电流和磁通SPWM（也称电压空间矢量PWM）。其电压和电流SPWM是从电源角度出发得到的，而电压空间矢量PWM是由电动机得到的。本部分主要介绍电压SPWM技术，本技术主要是产生电压SPWM信号的技术，而产生电压SPWM信号的方法分为硬件法和软件法。硬件法中最实用的是采用，如HEF4752, SLE4520,SA4828等专用集成电路来实现电压SPWM。软件法是通过实时计算来产生电压SPWM波形，而且他的成本是最低的。实时计算有种特殊的要求，就是对控制器的运算速度要求非常高，而具有高速运算速度的DSP（2812）正好满足这一要的求控制器，而且性价比非常高。电压SPWM这种信号实时计算需要建立数学模型。建立数学模型的方法有以下几种：谐波消去法、等面积法、采样型SPWM以及派生算法。本部分采用的是对称规则采样法。2.2.1生成SPWM波的数学模型对称规则采样法的采样时刻是以每个三角波的对称轴所对应的时间。过三角波的对称轴与正弦波的交点，作一条平行t轴的平行线，该平行线与三角波的两个腰的交点作为SPWM波“开”和“关”的时刻，如图2-3所示。“开”和“关”两个交点是对称的，所以这种方法叫做对称规则采样法。 下面进行数学模型的推导：令三角载波的幅值为1，正弦调制信号为以其中。从图2-3可以看出，和相似， 图2-3对称规则采样法由三角形相似定理有： （2-1）由式上式可得出取样时刻电压SPWM脉冲的频宽度为: （2-2 容易得出脉冲两边的间隙宽度为：（2-3）2.2.2关于生成的电压SPWM脉冲中各参数的计算SPWM脉冲的周期：由同步调制原理可知，载波比常数，由此可得: （2-4） 调制度M：由式（2-2）式可知SPWM脉冲的脉宽t与调制度M成正比关系， SPWM脉冲序列的基波电压的幅值决定脉宽，即M决定变频器正弦电压的幅值。因此在恒U/f调频调压时有: （2-5）式中B、C为常数。各取样时刻t的正弦函数：如图2-3所示，同步调制使得正弦调制波上升段中的过零点与三角载波下降段过零点重合，并把该时刻作为零时刻。由于对称规则采样法的采样时刻是在每个三角波的负峰值处，所以各采样时刻（k=0, 1, 2,，N-1)，这里k=0对应第一个采样时刻，各采样时刻刻的正弦函数为: （2-6）（k=0, 1, 2,，N-1) 图5-3 各取样时刻t的正弦函数对于正弦函数，计算出幅值为1的正弦函数对应于k点的值计算结果制成表格，存于FLASH中，我们称之为称为基准正弦函数表。类似的，对于三相正弦函数，可以采用移动查表指针的方法来实现查表，即确定出U、V、W三相的正弦函数值在同一张基准函数表，该表示正弦的。也就是说，从基准正弦函数表中查取某一k值时对应的正弦函数值，我们打他当做基准函数值（U项相），根据三相电的性质，表的地址向前移动2N/3个单元格对应的函数值便是W相，同理，再将地址指针向后移动2N/3个单元格，得到的函数值便为V相的正弦函数值。DSP生成SPWM波形控制寄存器设置控制寄存器是 事件管理器中的一个具有特殊功能寄存器，这个控制寄存器是为了产生电压SPWM波而设计的管理器。为了得到期望中波形，需要两个因素：正确的算法，更重要的是正确地设置控制寄存器。控制寄存器的设定顺序为:设置定时周期寄存器T1PR。设置动作控制寄存器ACTR。设置死区时间控制寄存器DBTCON。初始化CMPRx C x=1, 2 , 3。设置比较控制寄存器COMCON 。设置定时器1控制寄存器T1CON。在每个采样周期重写CMPRx C x=1, 2 , 3。DSP生成SPWM波的基本设计思想利用2812生成SPWM波的基本设计思想是：利用DSP的事件管理器中的三个全比较单元、一个通用定时器、死区发生单元以及输出逻辑来生成三相六路SPWM波，生成的波形经过6个复用的I/O引脚输出，EVA内部PWM生成电路框图如图2-4所示。2812的定时器工作方式有四种，图2-4-2所示的持续向上/下计数方式工作产生PWM波是对称的。在这种计数方式下，计数器的值的变化方式是从初值增到T1PR值，然后开始递减下降，下降至计数器为零时再重复上面的过程。计数器跳变的过程中，计数器的值均与比较寄存器CMPR1-CMPR3的值作比较，若两者的值相等，那么在一个周期内则该相方波对应输出电平将会翻转，如图2-5所示，输出的方波的反转次数为两次。另外从图5-5还可以看出死区时间插入后波形的变化情况，死区的可调时间范围是0-12可调。考虑到所用功率器件的开通与关断时间(最大关断时间为3)，我们令PWM波的死区时间为6.4，那么我们变得出了就可实时地改变PWM脉冲的占空比的方法：在每个脉冲周期中改写比较寄存器CMPR的值与计数器的值比较来实现不同电平变化。下面介绍死区单元，它把全比较单元输出的电压PWM信号作为输入，根据其跳变沿来使能8位减计数器然后装载，计DBTCON寄存器的高八位提供着8为计数器的数值，CPU输入的时钟，通过DBTCON的第3,4位决定的预定标因子分频后所得时钟作为计数器时钟。产生PWM信号死区方法是比较器输出为低电平，并且封锁与门，这要求在在计数器减计数到0之前实现。DTPHx来决定PWMx (l,3,5)信号的输出，高有效时输出DTPHx,低有效时输出DTPHx。PWMx (2,4,6)信号的输出根据DTPHx来决定，ACTR控制高有效时输出DTPHx，低有效时输出 DTPHx。2812的死区根据ACTR的高低有效性而改变，高有效时不允许上下管的控制信号同为高电平，低有效时不允许同为低电平。因此DSP死区时间对高、低电平开通均有效。软件产生死区只需将DBTCON的高八位载入一定数值，即可实现。死区控制寄存器结构图如图2-6所示。图2-4 PWM生成电路框图图2-5对称PWM波生成原理图2-6 失去控制寄存器的结构图SPWM波的实现方法首先，要确定DSP中EVA的周期中断的周期。设频率值为，载波比为N，则中断周期为: 。这里的单位是秒，在程序中要转化为相应的时钟周期数。可以把某一频率值对应的中断周期预先计算好，制成表格，便于在线查找。本系统运行的频率范围为0-40Hz。第二，预先计算好一周期360个采样点的单位正弦值，按顺序制成表格，在程序中判断根据不同的频率范围对应的载波比N值，以不同的步进值来取单位正弦值，再进行计算。第三，考虑如何在线计算和改写比较寄存器CMPR值的问题。根据频率指令值f,查表得相应采样周期对应的机器周期以及调幅比M值，并把界值存入寄存器T1PR，作为中断定时周期。CMPR的值的在线计算和改写都在中断服务程序里完成。进入中断服务程序后，查表得到单位正弦表中下一个采样点各相对应的正弦值，可以计算出各相的开通和关断时间。由于查表所得的已经是经过量化的时钟周期数，所以上述计算所得的结果也是开通和关断时间所对应的时钟周期数，可以直接写入CMPRx（x=1, 2, 3分别对应U, V, W三相)比较寄存器）。程序流程图系统主程序流程图如图2-7所示。主程序先进行系统的初始化。系统的初始化工作包括设置看门狗电路;禁止中断（INTM=1);设置符号扩展模式（SXM=1);设置CPU级中断屏蔽寄存器（IMR）;并设置等待状态控制寄存器（WSGR)来设定对片外的程序存储器、数据存储器以及IO空间的地址进行读写操作所需的等待时钟周期数。将一周期正弦数据从ROM中载入数据RAM。设置事件管理器中的一些控制寄存器，给部分变量赋初值，使之能在中断服务子程序中运算。并需将六个复用的IO引脚设置为PWM波输出引脚。在完成所有的初始化工作后，设置T1CON使定时器1开始工作，并重新打开中断（INTM=0）。图2-7 系统主程序流程图第三章 异步电机变频调速的硬件电路设计本设计采用2812作为控制系统的核心处理芯片，并且配套智能功率模块IPM和其他单元电路，构成了一个交-直-交的异步电机变频调速系统，变频调速采用的是基于SPWM理论的控制技术。总电路图如图3-1所示，单元电路包括主电路、保护电路、控制电路、检测电路等，各单元电路中主电路部分是至关重要的一环，它又由控制，整流，滤波，逆变电路(IPM)，驱动电路与吸收电路组成。工作原理：通过不可控整流模块将单相交流电压变为直流电压，整流后得到的电压有一定的脉动，这时可以经过大电容C1，C2，利用电容的特性将电压平滑成为稳定的直流电压。逆变电路的存在就是为了对该整流后得到的直流电压进行斩波逆变，最后形成我们所需要的三相交流电提供给电机，该交流电幅值和频率都是可以调的。下面将具体介绍各单元电路以及元件参数的计算。 (电动机参数:转子Y形接, ,=1430r/min，)3.1 整流电路整流电路的构成：六个整流二极管按照特定的顺序组成三相不可控整流桥，作用就是将交流变为直流。整流过程中采用的变频器不同，整流输出功率大小也不一样，小功率采用小功率输入电源（220V）第三章 异步电机变频调速硬件电路设计该整流电路为单相全波整流;整流功率大一点的电路的一般用三相380V电源，整流电路为三相全波整流电路。本设计采用的是三相整流桥。三相整流桥二极管的参数选择:由实际电路可知，通过二极管的最大整流电流为： （3-1）考虑安全裕度，二极管额定电流为: （3-2）在整流后的滤波过程中，滤波电容会发生充电，对整流后的电流的也将产生影响，所以需留有较大的电流裕度，方便起见=30A .考虑安全裕度，整流二极管的额定电压定位: （3-3）综合上述确定的额定电压，额定电流，考虑经济角度，选用额定电压1200V，额定电流30A的二极管整流集成块6RI30G-120（日本富士）。3-1调速系统整体设计图3.2 滤波电路由电压理论知识可知，整流电路输出电压是不平滑的，而电机调速所需要的交流电质量非常高，此外，后续逆变电路产生的脉动电流和所驱动负载的变动也会反过来使得原本平滑的直流电压产生不小脉动，所以为了滤除掉直流中的交流成分，获得品质高的直流电，所以要在整流电路后面附加一个滤波电路，该滤波电路采用低通滤波电路。低通滤波电路就是只含有电容的滤波电路，将两个大电容并在整流电路之后。整流所得的直流电压质量不高，因为其中含有很多谐波，这些谐波一般都是偶次的。有电路理论可知，电容两端的交流电频率越高，与频率成反比关系的电容阻抗必将越小，上面压降大，那么分流作用也就越大了，这样偶次谐波便可以被大大滤除了，再有平均值计算定理，所得到的输出电压的平均值就越大。下面计算参数：不考虑加滤波电容，三相整流输出直流电压平均值为: （3-4） 加上滤波电容后最大电压可达到交流线电压的峰值: （3-5）正常情况下电压输入都是有波动的，设波动范围为360V-400V。取输入电压为400V，经计算可知整流后电压为566V。于是可得在每一个周期，电容吸收的能量为: （3-6） 式中电源功率因数为0.9，-电机输出功率，-峰值电压，-最小交流输入电压。最小的交流输入电压应该在360V以上（纹波需要），代入数据: （3-7）在应用中滤波电容有两大作用：第一滤除整流后的电压纹波，第二就是不容忽视的去耦作用，即消除整流电路与逆变器之间的相互干扰，又电动机是感性负载，这样便为其提高那个了提供必要的无功功率。以上两个原因决定了直流电路中加的滤波电容器值必须较大，此时还可以起到储能作用，所以又称储能电容器。虽然滤波电容理论上讲越大越好，但从经济角度我们选择4个450V2200的电容串联，串联后可以等效得到一个900V1100的电容，经济实惠。由于电容的各个参数不尽相同我们可以在并联在电容两端并联电阻，该电阻成为均衡电阻，作用是这四个串联的450V2200的电容分压相同，而且电源关断之后时，这些电阻与对应的电容构成一个回路，令电阻值为110。3.3 逆变电路IGBT是产生于上个世纪90年代，是新一代电力电子器件，兼备MOSFET和GTR的优点于一身，应用广泛，比如在电机控制（高速）。IGBT的特点是耐压性强、允许通过电流大、开关频率高、电阻小、功率小，低功耗。现阶段，逆变电路的功率开关器件多选拥集成性的模块比如IPM，这些功率模块的核心便是绝缘栅双极晶体管。智能功率模块(IPM)是一个新兴的定义，它实际上是一个集成模块，即将IGBT和驱动，外加安全保护电路，电压（电流）检测电路等集成在同一个模块内，属于是电力集成电路(PIC)的大家族的一员，本设计用的功率模块（IPM）采用的绝缘栅双极晶体管作为大功率开关器件。1、IPM的参数选择绝缘栅双极晶体管正反向峰值电压: （3-8）从安全考虑，取耐压值为1200V .通态峰值电流为 （3-9） 从安全考虑，取电流额定为25A。根据以上参数，选用PM25RSB120（三菱）。2、IPM内部基本结构本设计选用的是三菱PM25RSB 120模块，它的功能电路由绝缘栅双极晶体管（7个）、续流二极管（6个）、驱动电路、逻辑控制电路组成，为了保护其工作性能，还有欠压过热保护电路。其内部结构如图3-2所示。PM25RSB120主电路用于直流输入和三相交流输出的端子有五个，控制部分有十五个端子，这十五个端子分别用于PWM信号、故障信号、驱动电源，此外制动端子输出也是从这十五个信号输出。之所以采用IPM，是因为IPM可以减少设备体积，同时交流异步电机的变频器调速系统的性能也达到了提高，十分的可靠。图3-2 IPM内部基本结构原理图3.4 IPM的驱动电路上桥臂U相为例，逆变器的接口电路图如图3-3所示3.4.1 驱动电源a、驱动电源采用隔离电源，共四组。其中三组是上桥臂每相各用1组电源，剩下一组由下臂两相公用，这4个驱动电源的隔离电压应达到1200V。b、为了使IPM能够正常工作，驱动电源电压的范围是13.5V-16.5V。如果驱动电源电压U16.5V，可能因为驱动电源电压过高，IGBT的性能会受到影响，特别是保护性能。如果U20V, IGBT的栅极会遭到破坏，因此驱动电压要低于此电压。若U 10kv/。综合以上要求，我们选用HCPL4504（HP生产的高速光耦器）。用于保护功能的故障输出端和制动输入端选用的光耦是低速的-TLP52。为了防止dU/dt斜率过大引起的误动作产生不良影响，解救办法连接上拉电阻输入端，用输入控制信号的端子即，如图3-5所示。图3-4 IPM驱动电源电路 图3-4 IPM接口电路图3-5 控制信号输入电路3.5 保护电路IPM模块作为一个日渐成熟的模块，已经有过压、过热等保护电路，但是IGBT非常的娇贵，所以为更好的保护它，并且提高保护性能，设置一套保护环节来防止各种故障是非常必要的。下面介绍设计了IPM故障保护、过压、欠压、限流启动等保护电路。IPM故障信号直接送入到DSP的/PDPINTA中断口中断低电平有效，DSP做出中断，PWM不再输出，运行停止。涉及到系统过压、欠压保护、限流启动的检方法是是检测电路回来的母线电压，过高过低可判定为出现故障。一旦出现故障，程序仅在PWM输出，这样既节省了硬件投入，又可以设定电压和电流，从而保护的稳定性提高了。下面具体介绍各个保护电路：3.5.1 IPM的自保护功能IPM在设计初期就考虑到了保护装置，这些高精度的内置保护电路可以胜任保护IPM性能的任务，威胁主要来自于系统失控，另外就是过高的负载使功率器件发生永久损坏。这些保护电路的功能主要包括保护控制电源欠压，大电流保护、短路和过度热保护。以上任何一个模块电路发生保护动作，驱动IGBT栅极的电源便将关断电流，并且伴随着一个信号FO的输出，当然，这个信号属于故障，具体原理如图3-6所示。 图3-6 IPM内置保护电路a、UV-驱动电源欠压保护:内部驱动电路的供电电源为15V，若电源电压低于规定的欠压动作值(UV)，则关断功率器件并且输出FO。b、OT-过热保护:如果电路PCB基板温度超过规定的数值(OT),下桥臂的2个IGBT将被关断，上桥臂IGBT不受影响，温度恢复正常时，再重新开始工作，这样便保护了功率器件。图3-7 故障信号输出电路图c、OC-过流保护:若流过IGBT的电流超出规定的电流数值(OC)，便将输出一个故障信号。d、SC-短路保护:驱动负载运行过程中发生短路，或者因为控制器故障而导致上下桥臂同时导通，此时短路保护电路便将其作用。即使IGBT关断，并输出一个故障信号FO。关于Fo有以下几点注意事项：TFO=1.8ms时，开关关断并使输入无效。Fo结束，复位，这是输入便有效了。明显的，一旦有故障信号输出，那么系统必须在使PWM信号在典型时间值内无效，然后修理故障，故障解除，才能使输入有效。3.5.2 泵升电路泵升电压产生于电机制动状态，这是因为制动时产生的反馈电流，该电流将流向直流回路的电容，使得直流电压升高。若不处理泵升电压， IGBT的不可逆损坏十分可能发生。然而，泵升电压的产生是电动机制时的一个必然结果，为了包谷IGBT，就必须为制动过程产生的能量提供释放的路径。其中有个办法是串接一个制动电阻，一般情况下，制动电阻用在高能量场合。在本设计采用的IPM内就含有制动单元，图3.8中制动控制口Br和制动输出口B组成的电路就是泵升保护。原理是：先检测电容两端的电压，如果电压大于正常电压的1.15倍，DSP的I/O口发出一低电平，输入Br之前需要经过隔离（光电耦），前面已经提到。如图3.8所示，信号驱动IGBT7，形成电流回路，电容存储的能量便以Rb发出热量的形式消耗完毕，从而使得IGBT得到了保护。图3-8 泵生保护电路3.5.3 其它保护电路本设计中虽然已经设置了过压、欠压保护，但是因为绝缘栅极的集射极耐压值和承受反压值都比较低，同时电网电压不太稳定也是一个隐患，重负荷时U=440V，可见U的变化范围很大，这很容易使得母线过电压或欠压，因此另外加设过压和欠压保护电路是很有必要的。我们可以取参考点，利用DSP来实现此功能。3.5.4 电压检测本设计的异步电机变频调速系统中， 直流母线电压直接影响到IGBT器件的功能与好坏，所以必须检测直流电压。理想状况下，我们不考虑逆变器死区效应，这样便可以从直流电压和开关状态得到交流电压，当涉及到相电压时，拥这种方法可以减少传感器，实现成本降低与性能提升。本设计采用LV100霍尔电压传感器，转换比为Kn=10mA/50mA ,输出电流信号，此外还需要进行采样和匹配。如图3.9，采样电阻是R1，R2和C组成一阶低通滤波电路，运放OP07A用于阻抗匹配。经过匹配采样可得到理想信号。图3-9 电压检测电