（电力电子与电力传动专业论文）数字化调速控制研究的计算机系统的研制.pdf

t h ed e v e l o p m e n to ft h ep cs y s t e mo f d i g i t a lm o t o rc o n t r o lr e s e a r c h a b s t r a c t t h ew o r k b e n c ho fd i g i t a lm o t o rc o n g o lr e s e a r c hh a sb e e nd e s i g n e da n d r e a l i z e di nt h et h e s i s 。t h es y s t e mp r e p a r e sas e to fh a r d w a r e ，p cr e a l t i m e d e b u g g i n gt o o l sf o rd i g i t a lm o t o rc o n t r o l ，a n dd s pp r o g r a me x a m p l e s i t sa d e v e l o p m e ms y s t e mf o rd e e p e rr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t so fd i g i t a lm o t o r c o n t r o lt h e o r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g n ，s t r u c t u r ea n df u n c t i o n ，a n d t h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t so ft h em o t o rs e t sf o re x p e r i m e n t s ，d s ps y s t e m ，t h e h a r d w a r eo fp o w e rd r i v ea n ds i g n a ls a m p l i n g ，a n dt h ep cw o r k b e n c ho f m o t o rc o n t r o lr e s e a r c h t h e r ei sa cm o t o r ( c o n t r o lo b j e c t ) ，d cm o t o r ( a s l o a d ) ，m o t o r f o r s p e e dt e s t ，r o t a r yo p t i c a le n c o d e r , a n d s oo n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc h i pi ss e l e c t e d s o m ed s pp r o g r a me x a m p l e sa r e p r o v i d e d ，i n c l u d i n gs o m es i m p l e m o t o rc o n t r o lt a c t i cm o d u l e t h ep c w o r k b e n c hp r o v i d e st h ep r o j e c tm a n a g e m e n t ，t h ee d i t o r , c o m p i l e ra n dl i n k e r o fd s pc o d e s ，m o t o rc o n t r o l c o n s o l e ，e t c e s p e c i a l l y , d s pr e g i s t e r i n i t i a l i z a t i o nc o d eg e n e r a t o ra n dr e a l t i m ed e b u g g i n gt o o la r ev e r yu s e f u l n o w , t h e r eh a v eb e e ns o m ee x p e r i m e n t sd o n ew i t ht h eh e l po ft h e s y s t e m n o to n l yu n d e r g r a d u a t e s b u ta l s o g r a d u a t e s h a v ed o n et h e e x p e r i m e n t s t h e ya l lf e e lt h es y s t e mi su s e f u la n de f f e c t i v e i nf a c t t h ep c s y s t e mo fd i g i t a lm o t o rc o n t r o lr e s e a r c hc a na l s oh e l pt h ee x p e r t so fm o t o r c o n t r o lt a c t i c st ov e r i f ye f f i c i e n c yo fc o n t r o la l g o r i t h m i th a sg r e a tv a l u ei n g e n e r a l k e yw o r d s ：d i g i t a lm o t o rc o n t r o l ，m o t o rs e tf o re x p e r i m e n t ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , r e a l - t i m ed e b u g g i n g ， d e v e l o p m e n ts y s t e m 附件四 上海交通大学上j ；母父遗大罕 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 、 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：很宁 日期：即。；年1 月知日 附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 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学位论文。 保密e z 在主年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：秋寺 燧名：修 日期：乃。；年c 月州日 日期洲年f 月纠日 上海交通大学学位论文答辩决议书 申请者 狠寺 所在学科 ( 专业)电力屯占与也力彳乏劲 论文题目 粒字纯调逢棒期研貉幻计算耙彖纯的砷捌 答辩日期 功d j 。f ，工jl 地 点 猡娩引。 答辩委员会成员 姓名单位职称签名 娃t 亳tt p 夕( ，耗被兹t 【匆凯蜕z 能量黝复l 摊& ， 专轴 l 奄挈二孝匕二 烈绉撞盼 私岫玛叭垃。税j 、 驯瓠糟教吨澜 研室l 龟札调运f 童；害。葛i 专：! 嘎砝颇田舛絮叶寸 罩弦议吨7 ，碟谢嗽辱棚蝴知 删芝留澹露蓼曼戆钓良剃弘午茬竹最涧童侉j 礴 磊窘强杠地，d f ，心茬 栉b 厦砀毒船溺尹莽 匏礁! 卿，、， 牵上! 箩眵1 苎巳墨 慧量慧髫嚎茹徽锃警辫嚣；品曼名：鬻麓浆罨驾臀 菩溪警j 姜鬻譬魁军i 茎主筹霉萎：翟驴苌善虢莠夏森”7 ”社懋i 毛乏。# 竟f ? 池毒坡乩建、工1 f 弘极留弓，郁秘走拓灾簟场 残力迈之 皋谚季篷、。每2 盹箩曼踌翱t 专学缮霉咩中p 譬旧疆液纠叠确一致，落道尊 溶在。| ! 艾斧“建。上艘予；主亡张 谢我迪谳渊赢主苏 第一章绪论 1 1 数字化变频调速 第一章绪论 1 1 1 数字化产品 在人类漫长的发展史中，经历了一个又一个时代的变迁。而随着时代的飞速发 展，人类进入了数字化的时代。在现今的这个时代中，从人们的工作、生活到整个 生存空间，数字化产品给我们带来了巨大的好处： 数字化产品有着极好的可预测性和重复性，人们不再为模拟器件的离散性 导致的不稳定而感到头疼。 数字化产品的可编程性使其功能强大而灵活，人们可以随意配置，以满足 他们的需求。 数字化产品对环境有很强的适应性，即使在潮湿和高温的环境下也可以可 靠地工作。 因为数字化产品的功能大多由软件实现，所以其功能扩展和产品升级十分 方便。甚至有些时候，几乎不用添加任何元器件即可实现功能扩展和产品 升级。 1 1 2 电机控制领域的数字化 人类的每一个领域都在走向数字化，在电机控制领域更是如此。 要研发出一个好的电机调速控制系统并不是一件容易的事。对于一个电机调速 类产品来说，整个系统既需要很强的可靠性和抗干扰能力、高的运行效率、减少功 耗，同时也要控制整个系统的成本。要实现以上的这些要求，用传统的模拟技术很 难达到。因此，数字化调速应运而生，成为当前电机调速领域的最佳方案。 所谓电机控制，就是使电机按照用户所需要的工作状态来运转。而数字化变频 调速是采用高速的微处理器来控制输出到电机的电流和电压，从而达到用户所需要 的工作状态来控制电机运转。使用数字化调速，控制精度高，效率高，方案灵活， 操作简单，适用于各种类型的电机。而且还可以方便的实现软启动控制，设定电机 速度曲线运行等等用户所需要的特殊功能。因此数字化变频调速早以成为电机控制 的发展趋势。以下是采用数字化调速的最主要的优势： 第一章绪论 更高的效率。采用数字化调速可以减少能源的浪费，使用户可以使用容量 较小的电机和功率模块来达到和非数字化调速系统相同的效果。 更高的功率因数。采用数字化调速可以大大的提高整个电机调速系统的功 率因数( 一般 o 9 ) ，从而抑制了谐波的产生，可以减少系统对电网造成的 影响。 更少的外围元器件。数字化变频调速系统可以采用无传感器算法，因此可 以减少系统外围器件，在提高可靠性的同时也降低了成本。 更好的灵活性和可升级性。数字化调速系统采用可编程的高速微处理器， 系统维护十分方便灵活。核心控制算法由软件完成，因此，大多数情况下， 系统功能扩展和升级只需要修改软件并重新写入微处理器，有些微处理器 甚至还提供远程升级等功能，使得系统升级非常方便。 1 1 3 数宇化调速系统和传统调速系统的比较 在具体讨论数字化调速之前，先比较一下它与传统电机调速控制方法的差别。 图1 1 为传统的模拟控制系统的结构框图，图1 2 为带有微处理器的电机控制系统 的结构框图。 图1 1 传统的模拟电机控制系统 f i g u r e1 - it r a d i t i o n a l a n a l o g m o t o r c o n t r o ls y s t e m 图1 - 2 带有微处理器的电机控制系统 f i g u r e1 - 2m o t o rc o n t r o ls y s t e m b a s e do i lm i c r o c o m p u t e r 传统的模拟控制系统中，使用了大量的模拟器件。由于模拟器件随着时间的推 第一章绪论 移和环境的变化，会出现老化问题，导致系统可靠性降低，所以在系统设计时要留 有比较大的硬件余量，而且系统设计比较复杂。另外，在模拟控制系统中，如果要 添加新的功能或者做小小的改动，是非常困难的，往往是牵一发而动全身，涉及到 整个系统的方方面面，有时甚至会需要重新设计整个系统。 图1 2 所示的是带有微处理器的电机控制系统，其性能相对于传统的模拟控制 系统来说有大大的提高。命令控制由软件完成，简化了系统电路的设计，减少了外 围的器件，节约了系统成本，而且系统升级可以通过软件来完成，增加了系统的灵 活性和可靠性。图中的微处理器一般为通用的微处理器，d a 大多为专用的p w m 发生器，直接送给g t o 、i g b t 或口m 作为驱动电机的控制信号。 随着人们对电机控制要求的进一步提高及半导体行业的迅速发展，出现了以 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 即数字信号处理器为核心的专用电机控制芯片。于 是就有了如图1 3 所示的基于d s p 的电机控制系统。 图l - 3 基于d s p 控割器的电机控割系统 f i g u r e1 3 m o t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p 从图中我们可以看出，电机控制系统的大部分元件集成在了一块d s p 控制芯片 中，进一步简化了电机系统的设计，同时也提供了更佳的调速性能。如今各种型号 的d s p 控制器在数字化电机调速中已大量使用，而使用最普遍的莫过于 t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列d s p 控制器。 t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列d s p 是由t i 公司率先推出的专门为电机控制设计的d s p 控 制器芯片组，也是当今世界上最先进的电机控制芯片系列之一。它的出现，为各种 交流电机和直流电机提供了一套完整的单芯片解决方案，甚至可以帮助用户省去测 量电机的速度、位置、力矩的传感器，直接利用反馈的电流、电压信号，运用其强 大的运算能力，通过一定的算法来推算出以上各个变量，从而为用户降低了成本。 综上所述，数字化变频调速系统具有传统的模拟调速控制系统所不可比拟的优 势。 第一章绪论 1 2 数字化调速控制的前景和意义 1 2 1 电机的类型和特点 电机调速技术的发展，与电动机的应用趋势是有密切联系的。电动机是当前世 界上应用最广泛的一种动力机械，大致可以分为直流电机和交流电机两大类。 交流电机 流异步电机么蓄鎏篓茎耄寰机 流同步电机 直流电机 9 0 ) ，鲁棒性强，可靠，而且价格低廉。 随着数字化调速技术的不断发展，使整个电机控制系统的成本不断降低，性能 不断提高。现在数字化调速技术不仅在工业领域得到广泛的应用，而且已经深入到 了人们的生活中，其高端产品数字伺服电机及高精度智能伺服系统是自动化学 科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的个分支。数字伺服控制技术及其系统 在工业、农业、国防等各个领域都得到了广泛的应用。随着数字技术的发展及在伺 服领域的广泛应用，使得现代控制理论逐渐工程实用化，更便于计算机控制，并且 精度更高，响应更快。其主要应用领域包括： 先进的数控机床 数控机床是国家重要的基础装备，制造业对数控机床的需求日益增大，市场 前景广阔。当前，我国数控机床的发展趋势是：大力发展普及型加工中心和数控铣 床，通过产品设计的系列化、模块化和功能部件的专业化制造，进一步降低成本， 缩短制造周期，提高产品质量，尽快形成产业规模。同时加强高速，精密数控机床， 五轴以上联动数控机床，柔性生产线高效专用数控机床及开放式数控系统关键功能 部件的开发。 汽车工业 随着数字化调速技术的不断发展，其安全、可靠、成本低廉等优点逐渐体现， 使其成为汽车制造业的新宠。由于d s p 控制器的实时数据运算处理能力为普通处理 器的1 0 到5 0 倍，给a b s ( a n t i l o c k b r a k i n gs y s t e m ) ，e p a s ( e l e c t r o n i cp o w e r a s s i s t e d s t e e r i n gs y s t e m ) 等新技术的出现创造了可能性。如今基于d s p 控制器的数字化调速 技术已经大量应用于汽车行业，其运用领域包括车窗、车座的升降控制；自动排挡 控制，及前面所提到的刹车系统和传动系统。 家用电器 在家电领域中，数字化调速调速技术也大展神威。它使家电更安静，更节能， 第一章绪论 更小巧，更便宜。如洗衣机、洗碗机、冰箱、空调压缩机中的电机可选用廉价的交 流异步电机，而且可以直接和d s p 数字变频系统相连达到调速的效果，而不用像从 前一样使用变速器或价格较昂贵的电机来解决调速的问题。以d s p 控制器为核心的 数字化调速系统控制的电机，启动和运行都十分平稳，减少了不必要的机械摩擦， 从而降低了噪音。另外，控制部分的体积和重量的减小也给了厂商更多的设计空间。 同畴，数字伺服电机及高精度智能伺服系统已广泛应用于机器人、印刷业、纺 织业、医疗设备的伺服控制。 由于数字化电机调速控制技术的优良特性，应用领域非常广泛。近年来，交流 电动机数字化调速技术得到迅速的推广应用，现己遍及各工业部门，是电气传动技 术领域的一个飞跃。今后，交流变频调速会得到更大的发展。 1 3 当前数字化调速控制的关键问题 数字化调速的形式很多，在电路结构上可分为交一交变频调速和交一直一交变 频调速。所谓交一交变频调速，就是将交流电直接变成另一种频率的交流电输入到 交流异步电动机，对电动机进行调速。所谓交一直一交变频调速就是将交流电，通 过整流变成直流电，再经过逆变电路将其变成另一种频率的交流电，输入到交流异 步电动机，对电动机进行调速。 交流异步电动机的数字化调速在算法上有开环控制和闭环控制两种不同的控制 方法。开环控制较简单，常用于对电机控制要求比较低的场合，主要分为以下三种 方式：在额定频率以下，采用定子电压补偿的恒转矩变频调速( 即定子电压与其频 率之比为常数) 、在额定频率以上的定子电压常数的恒功率变频调速及保持定子电 流不变的恒电流变频调速。而闭环控制比较复杂往往用于一些控制要求较高的场 合。由于反馈参数的不同及其控制算法的不同，直接影响到整个调速系统的性能和 成本。主要有以下几种控制算法： p i d 控制： p i d 控制是最常用电机调速闭环控制的方法，其鲁棒性非常好。它不仅可以用 于基本的速度、转矩、位置控制，还可以用于h a l m a n 观察模型控制中。 d e a d b o a t d e a d b o a t 主要应用于那些要求建立时间很短的系统中。因为应用这种闭环控制 方法，需要的计算量较少。另外，还常用于自适应系统中。 第一章绪论 状态变量反馈控制 状态变量模型中，是用一个矩阵的形式来代表整个系统的。这个矩阵代表了系 统中各个变量之间的关系。状态变量反馈控制主要用于要同时控制多个变量的场 合。总的来说，状态变量反馈控制可以非常准确的控制整个系统的运行状况。但是 真正要做到同时让多个变量都达到要求还是十分困难的。 模糊控制 模糊控制是用人们的长期经验或实验的结果作为控制依据的一种控制方法。使 用这种方法，人们可以不需要建立复杂的系统数学模型。但是其控制过程需要进行 大量数学运算，使用普通的微处理器是无法完成这些计算工作的。 从上面的介绍可以看出，不同的系统，根据其对电机控制的精度、响应速度、 系统成本等要求的不同，其采用的算法也是不同的。 近几年来，随着数字化变频调速的大量运用，电力器件的发展也是日新月异。 原先大多采用的是g t o ，导通电流大，耐压高，但是其截止需要一个幅值大小为导 通电流1 3 的反相脉冲，使电路设计更加复杂，也降低了系统可靠性，使用起来有 所不便。目前，在一些容量较小的系统里最常用的是i g b t 。i g b t 控制方便，信号 输入阻抗很高，但是若使用不慎很容易被击穿。现在d m ( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ) 又成为了人们驱动电机的首选。它将6 至7 个i g b t 集成在个模块里，同时加上 保护电路，使用起来十分方便。而且它的容量也越做越大，已经出现了耐压为3 0 0 0 v ， 导通电流为6 0 0 a 的邛m 。而驱动电路的保护和拓扑结构都已经十分的成熟。可见 人们在硬件方面所做的工作已经大有成效。但是相对而言人们在控制算法上还有许 多工作要做。 正如上文提到的，由于不同的电机系统需要用不同的数字变频系统来控制，所 以人们都要编写专用的控制器软件。而要让熟悉电机系统的、主要研究电机调速算 法的技术人员再去学习如何使用d s p 控制器、如何去驱动电机显然是不合适的。他 们需要一个基本上不需让他们考虑硬件方面问题的调速平台，在这个调速平台上， 他们可以直接研究电机调速算法在具体的电机上实际运行的效果。这就是我们设计 这套系统的初衷。 第二章数字化调速控制研究的计算机系统的目的和整体构思 第二章设计数字化调速控制研究计算机系统的 目的和整体构思 2 1 设计目的 纵观现在的电机调速控制领域，和直流电机相比，交流电机由于其成本低、寿命 长、体积小等多种优势，是更好的选择。但是，交流电机的调速控制没有直流电机那 么方便，其各个参数之间耦合比较强。所以，当前电机调速领域的主要研究方向就是 交流调速，希望使交流电机和直流电机一样方便的进行调速控制，而且其调速控制算 法的效率比直流电机调速更高，精度等各项指标也更高。 由于数字化调速系统控制性能优异、价格适宜、在很多应用场合有很好的节能效 果，因此，数字化调速己基本成为确定调速方式时的首选方案。 人们在这方面进行了很多理论研究，但是实际上，现在我国自行研制的变频产品 的调速效果并不如理论研究的那么好。因为电机运行时的实际情况和纯理论研究结果 有一定的差别，还有很多的影响因素，可能理论研究时没有把这些实际因素考虑进去， 所以造成了理论和实际脱节。因此，做调速算法的研究人员不仅应该研究调速控制理 论，在理论上进行创新，还应当以实践来验证理论。也就是说，做调速算法的研究人 员应该在一套电机调速平台上进行调速控制实验，这样才能确保调速算法研究的具有 实际的应用价值。 然而，这样一个调速实验平台所包含的内容还是比较多而且复杂的，其中必须包 含的一些硬件设备如：调速算法的对象交流电机，电机的负载，用于闭环控制系 统中的反馈量的测量，交流电机的功率驱动模块等。对于这样的硬件系统，即使已经 有比较成熟的技术和方案，但要真正实现一整套系统，还是要投入大量的时间、人力 和物力。而调速控制算法研究人员主要是算法研究，需要一个使用方便的调速控制的 实验系统，借助这套系统，他们可以实验电机调速算法在电机机组上实际运行的效果。 这就是我们设计这套系统的初衷。 我们研制的这套数字化调速研究的计算机系统，最初的目的是为使用者提供一整 套可以进行电机调速实验的硬件设各，包括：d s p 控制器及其周边设备，电源变换部 分，电机驱动部分，调速对象为一台交流异步电动机，负载为一台直流电机，配备了 电压、电流传感器来检测直流和交流的电压电流信号，还有旋转光电编码器和测速发 第二章数字化调速控制研究的计算机系统的目的和整体构思 电机可以测量电机转速，转矩仪可以测量转矩。有了这些硬件设备后，研究电机调速 控制算法的研究人员就可以在这套实验机组上进行调速算法的实验了。当然，仅有这 些硬件设备对于电机控制来说还不是很完备。作为一个控制系统，还需要人机接口等 交互式设备。对于实验数据的分析，当然要借助p c 机这个强大的后盾，因此要考虑 p c 机和d s p 控制器的通讯等等。另外，数字化电机调速控制系统是一个实时性很强 的控制系统，所以还考虑提供给研究人员一个d s p 控制器程序实时调试工具。 综上所述，设计数字化调速的计算机系统的目的可以分为两种层次： 一种是给刚接触电机调速控制的人们提供一套可以直接进行电机调速控制的实 验平台，使用者可以用平台提供的电机溷速算法例程直接下载到d s p 控制器上运行， 并且可以使用平台提供的各种实时调试工具和人机接口观察电机调速效果。对于这部 分使用者来说，数字化调速的计算机系统可以帮助他们深入了解一些概念问题：什么 是数字化调速，数字化调速的目的是什么，调速有那些指标和相关参数，如何进行数 字化调速实验，如何借助d s p 控制器编程实现调速控制理论算法。 数字化调速的计算机系统的另一层次的目的是给专门研究调速算法的研究人员 提供完备的调速研究设备。在这套设备上，可以研究调速控制算法的实际效果。平台 提供的例程是检验硬件是否正常工作的好工具；平台提供的各种程序模块可以减少研 究人员的编程工作量，因为这些模块可能和调速控制算法联系不大；而平台提供的实 时调试工具可以帮助研究者更快地完成算法的检验。 综上所述，数字化调速的计算机系统就是要提供一整套用于电机调速控制算法的 硬件设备平台和相关的基于p c 机的和基于d s p 控制器的软件平台和可调用模块、例 程，希望可以使电机调速控制算法更快更好地得到实践的验证。 2 2 关键问题 在上一节中，已经提到了系统要提供电机调速控制算法实验的硬件设备、计算机 软件平台、d s p 控制器软件功能模块，目的是快速有效地验证理论算法。也就是说， 我们要提供的不是一个专用的系统，而是一个通用的系统。最好的通用系统当然是能 满足所有使用者的全部需要，但是这并不容易做到，毕竟使用者的需求还是有很多的 不同之处的。因此，系统设计的时候，就要以满足大部分使用者的大部分需求为宗旨， 尽量考虑周全，提供尽量多的资源给使用者。所以，数字化调速控制研究的计算机系 统的设计必须从这个宗旨出发，有很多方面要考虑。 第二章数字化调速控制研究的计算机系统的目的和整体构思 2 2 1 硬件平台的通用性 数字化调速控制的对象 数字化调速控制的对像是交流电机，在众多种类的交流电机中，又以交流异步电 机为主。所以，平台选了三相异步电动机作为平台中的调速控制算法控制的对像，比 较具有代表性。 调速电机的负载 研究调速控制算法时，要考虑多种情况下的电机运行状况，如空载、突加负载和 超载等情况。因此，必须为交流电机提供负载。负载可以有很多种，对于这样一个具 有通用性的调速研究平台，必须让负载可以变化，来模拟各种负载情况。直流电机的 调速方案已经非常成熟，而且直流调速算法也比较简单，因此选用直流电机作为变频 调速三相异步电动机的负载。直流电机的调速可以选用通用的直流调速控制器，如西 门子四象限直流调速器等。 测量的反馈量 闭环控制系统比开环控制系统的控制效果要好得多，所以调速算法研究者研究的 一般都是闭环控制系统。闭环控制系统就必须有反馈量，反馈量一般分为电压、电流、 转速等直接可测量信号和通过这些信号计算得出的反馈控制变量。因此，为了通用性， 平台提供了使用者可能需要的所有的电压、电流测量信号，包括直流和交流信号。对 于电机转速的测量，提供了测速发电机和光电编码器两种方法。光电编码器将转速转 换成两路正交的脉冲信号来测量，是一种数字化的测量方法。测速发电机将转速信号 转换成电压信号来测量，是一种模拟测量方法。现在，虽然使用光电编码器来测量转 速是一种主流，但还是有一部分使用者习惯于使用测速发电机来测量转速。所以，平 台提供了这两种方法测量转速，使用者可以根据自己的需要进行选择。有了这些反馈 量以后，使用者就可以根据控制算法的需要直接选取测量量或者选取需要的测量量再 经过组合计算成为闭环控制系统的反馈控制量。 完成电机调速控制算法的主控芯片 在数字化调速控制研究的计算机系统里，主控芯片的作用是非常大的，要负责所 有的控制过程、反馈量的测量、各种计算、人机交互、与其它设备的通讯等任务，最 主要的当然是要产生正确的电机调速控制信号。有很多功能强大的微处理器可以完成 这些功能，但是目前使用得最广泛的莫过于t i 公司的t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 控制器。 这个系列的d s p 控制器不仅功能强大、运行速度快、编程方便，而且是t i 公司专门 为电机控制应用优化的d s p 控制器，该系列中的控制器至少含有一组( 3 对共6 路) 硬件p w m 输出，可以直接和功率驱动模块连接。因此，数字化调速控制研究的计算 机系统选取了t i 公司t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 控制器中功能最丰富、速度最快、存储 第二章数字化调速控制研究的计算机系统的目的和整体构思 量最大、带总线扩展的d s p 控制器t s m 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，来保证让大多数调速控制算法 研究者可以完成控制算法。 2 2 2 软件平台的通用性 我们这里所说的软件平台指的不仅是基于d s p 控制器的软件模块，还包括基于 计算机的应用软件模块。 基于d s p 控制器的软件模块 对于基于d s p 控制器的软件模块来说，要解决的就是提供多少d s p 控制器的例 程，提供什么样的例程，提供这些例程的目的是什么。d s p 控制器的功能模块很多， 采用寄存器控制。所以，设计按照模块功能划分提供例程，每个功能模块提供一至两 个例程。这些例程不仅可以帮助使用者熟悉d s p 功能模块的相关寄存器设置和使用 方法，还可以用来检验d s p 控制器硬件是否工作正常，排除由于d s p 控制器相应模 块工作不正常引起的系统工作不正常。编制这些软件例程的时候，必须注意模块化和 程序接口问题。在这些软件模块中，还包含和电机调速控制联系最紧密的p w m 产生 和a d 采样程序模块，使用者可以直接调用这些模块，也可以根据这些例程自行编写 d s p 控制器程序。另外，根据调速控制研究实验平台硬件的电气连接，把所有可用的 资源的用法和地址列出，让使用者用起来更加方便。 基于计算机的软件平台、工具和软件模块 对于基于计算机的软件平台来说，要解决的就是提供什么样的有利工具，让使用 者可以快速方便地进行电机调速实验。 在进行调速实验之前，使用者首先要编写好d s p 控制器的程序并编译链接下载。 因此，基于计算机的软件平台首先就要提供d s p 控制器代码的编辑、编译、链接工 具。使用者使用了这个工具后，可以进行d s p 控制器的c 语言和汇编语言代码的编 辑工作，并且可以将程序编译、链接成目标代码。 电机调速实验的一大特点就是具有很强的实时性，一般的仿真器调试方法在这种 实时性很强的系统中不太够用。因为一般而言，实时性系统的控制都是一种过程控制， 而一般的程序调试方法只能单步调试或者断点运行，也就是说，调试时要停止程序的 运行才能察看变量和寄存器的内容，这样就会导致控制过程出现间断，可能控制效果 和连续运行就会不一致了。因此，数字化调速控制研究的计算机系统必须提供一个实 时调试工具，让使用者可以在不停止程序运行的前提下察看各种寄存器和变量的内 容。 但是仅仅能够察看还是不够的，如果使用者在程序调试时发现一些寄存器或变量 的内容和理论推导的相去甚远的时候，有两种解决方法，一种是发现程序的问题所在， 第二章数字化调速控制研究的计算机系统的目的和整体构思 修改程序，再次下载，然后重新开始调试过程；另一种方法是先不修改程序，直接把 这些值改成使用者期望的值，继续调试，并且在调试过程中发现程序的问题所在。比 较而言，第二种方法的可行性更高，速度更快。因此，设计基于计算机的软件工具时， 还要提供一个可以修改寄存器和变量值的工具。 2 3 整体构思 数字化调速控制研究的计算机系统由三个部分组成，如图2 一l 所示。 嗍 d s p 系统功率驱动 i 相，文档k 一项目管理器f 及信号采样 l 7 。 c a p 卜 i 竺卜_ 刊功率驱动 人机接口 ! 一 d 5 p 仿真嚣 刊f l a s h i 竺| 电机实验机蛆： m g 端口 三相异步电动机 图形界面分析 中等。f 怛卜 g - 自g g t 工具 数据显示 i 可抽南悄l 斗同j 直流电机 指令选择或输 l j 。 |母 测速发电机 t 旋转型光电编码器 各种参数设置 峰匾再毫习t 一一f s ：3 z 叫s c i 通讯0 e p | 一检湮4 电路l 图2 - 1 整体构思 f i g u r e2 - 1 t h ed e s i g no f t h es y s t e m 用于调速控制研究的实验机组 包括：作为调速对象的三相异步电动机，作为负载的直流电机，测量转矩的转矩 仪，测量转速的测速发电机和旋转型光电编码器。这些设备都是同轴传动的。这套实 验机组为数字化调速控制研究的计算机系统提供了一个实验的硬件设备平台，它是整 个实验系统的基础部分。 用于调速控制研究的主控芯片系统和功率驱动及信号测量部分 主控芯片选用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 控制器，是整个控制系统的核心， 调速控制算法就是运行在d s p 控制器上的。d s p 控制器输出的控制信号通过功率驱 动部分驱动控制对象三相异步电动机。信号测量部分将电压电流等信号采样并进 行信号调理，把信号调整成d s p 控制器的a d 转换单元可以测量的范围内，然后就 可以利用d s p 控制器的a d 转换单元进行测量。这部分是控制系统的控制部分， 第二章数字化调速控制研究的计算机系统的目的和整体构思 由硬件和软件配合，具有很好的通用性。对于不同要求的控制系统，其不同之处主要 是d s p 控制器中的程序，只要程序运行正确，可以用这部分进行任何调速实验。 系统还提供了很多有代表性的d s p 控制器例程，并且有详细的程序注释，如数 字i 0 口的输入输出、a d d 转换、通用定时器、比较单元、捕获单元和p w m 生成等。 这些程序模块可以作为参考，让使用者快速熟悉d s p 的各个基本功能，在短时间内 初步了解d s p 控制器的编程和运作方式；也可以直接调用，快速开发。另外，这套 程序也可以用来检测d s p 控制器各个模块的工作状况，以确保d s p 控制器硬件正常 工作，这样才可以继续调试软件。 当然，这些例程中也包括一些调速实例演示程序，为使用者开发提供参考和指导。 它可以帮助使用者了解调速控制程序的核心编程思想，帮助使用者对p w m 波形的产 生、其它检测单元如电流采样的a i d 转换和位置采样的q e p 单元的使用方法有深入 理解。这些实例都设计成采用模块化编程，使用者甚至不需要修改就可以直接将例程 中的一些模块嵌入到自己的程序中，大大缩短了开发周期，集中精力关注调速控制核 心算法的效果。 计算机上的调速控制研究平台 它基本涵盖了调速控制研究所需要的各种辅助工具，功能相当强大。包括：调速 控制的项目管理；d s p 控制器代码编辑器、编译器和链接器，可以进行d s p 控制器 的编辑、编译和链接；可以仿真下载可执行代码进行仿真调试，也可以把可执行代码 烧写到d s p 控制器的f l a s h 进行脱机运行；配合d s p 控制器中的调速控制程序，可 以直接在p c 机的电机控制平台上控制电机运行、停止、调速等；提供了实时调试 d s p 控制器程序的工具，可以实时地察看和修改d s p 控制器程序运行时r a m 中的 内容，还可以观察连续的数据变化过程，并且这些数据可以进行图形化显示和记录； 等等。 计算机上的这些应用软件采用d e l p h i 编程语言编制程序，编程时要考虑到程序 模块化。例如，对于通讯模块这样的常用模块，因为它是计算机平台与d s p 控制器 的数据交换中必不可少的模块，所以将模块的接口也提供给使用者，让他们可以方便 地调用，来完成需要的功能。这将会大大缩短开发时间，让使用者可以专心于程序核 心算法的研究。 用于调速控制研究的主控芯片系统和功率驱动及信号测量部分的硬件直接使用 了已经完成的电路板，仅对其中的一些参数和器件做了改动，文中只是进行介绍。本 课题研究完成的是设计了用于调速控制研究的实验机组，d s p 控制器的各个模块使 用、电机控制及信号测量部分的软件，以及计算机上的调速控制研究平台。 第三章数字化调速控制研究的计算机系统的硬件平台 第三章数字化调速控制研究的计算机系统的硬件平台 3 。1 硬件平台简介 系统的硬件平台由几个部分组成：一是负责控制算法的主控芯片及外围设备， 系统中选用了t i 公司的t m s 3 2 0 2 4 0 7 a d s p 控制器，它功能强大，运行速度快， 是专门为电机控制应用优化的控制芯片；一是功率驱动及采样电路板，完成交直 交变频调速的功率驱动和各种模拟、数字信号的采样；还有就是用于实验的电机机 组。有了这三部分，数字化调速控制研究就有了实验平台，可以进行实验，验证调 速算法的实际运行效果。 为了叙述方便，本章中把数字化调速控制研究的计算机系统的硬件平台简称为 数字化调速控制硬件平台。图3 1 给出了数字化调速控制硬件平台的结构图。 图3 - 1 数字化调速控制硬件平台的结构 f i g u r e3 - 1t h es l r u c t u r eo f h a r d w a r ew o r k b e n c hf o rd i g i t a lm o t o rc o n t r o l 第三章数字化调速控制研究的计算机系统的硬件平台 3 2 主控芯片 3 2 1 简介 数字化调速控制硬件平台当然不能没有负责控制的c p u 。目前比较常用的控 制芯片有m c s 5 1 系列8 位单片机、t i 公司的m s p 4 3 0 系列1 6 位单片机以及1 6 位 的t it m s 3 2 0 系列d s p 控制器等。5 1 系列单片机价格便宜，但是程序存储空间和 r a m 小，运行速度慢，不适合于用在电机控制系统中；m s p 4 3 0 系列单片机i o 端 口控制方便，但是没有外扩的数据线和地址线，而且指令周期最高为8 m i p s ，用于 数字化电机控制这样的实时控制系统中也还是有点紧张。而t i 的d s p 系列中有专 门为电机控错优化的2 4 0 系列，而且速度快、扩展方便、功能丰富，是电机调速控 制领域的首选控制芯片。 图3 2 为t i 公司新近推出的1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 控制器的功能模块图。 d a r a m 饵回 p u 。c l o c k 2 5 6w o f d s c 2 x x d s p d a r a m 1 ) 1 0 一b na d c 2 5 6w o r d s( w i t h t 谳 c o r e d a r a m 0 刁 a u t o s e q u e n c e r ) 3 2 w o r d s s c i s a r a m ( 2 kw o r d s ) s p i f l a s h ，r o mc a n ( 3 2 kw o f d sw d 4 k 1 2 k 1 2 k 4 k ) d i g i t a li o e 啦e n a l m e m o r y 侣h 口e dw i t h o t h e f p i n s ) i r 山翦f a c e j t a g p o f t e v e n tm a n a g e ! ae v e n tm a n a g e rb ，3 x c a p t t h ei n u t 3 x c a p t u r ei “p u t 6 x c o “惰a f e 毋w m 6 x c o m l o “e p w m 0 u t p u t o u t v m 2 x g p2 x o p t i m e r s p w mt i m e r s p w m 图3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 控制器的功能模块图 f i g u r e3 - 2f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f t h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc o n t r o l l e r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 控制器采用了高性能的静态c m o s 技术，可以达到2 5 n s 的指令周期( 4 0 m h z ) ，即4 0 m i p s ，而且是低功耗设计，符合当前的低功耗设备趋 势，可用于移动设备。它基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s pc p u 核心，和f 2 4 3 f 2 4 1 f 2 4 2 的 代码兼容，指令集和模块与f 2 4 0 c 2 4 0 兼容；片内有3 2 k 字( 1 6 位) 的f l a s h e e p r o m 第三章数字化调速控制研究的计算机系统的硬件平台 ( 4 个扇区) ，可编程的密码保护，2 5 k 字的数据程序r a m ，包含了5 4 4 字的 d a r a m 和2 k 的s a r a m ；还带有s c 班p i 串行口下载启动r o m ，便于在线升级； 另外，它还有外部存储器接口、看门狗定时器模块、1 0 位的模数转换器、c a n 总 线接口、串行通讯接口等；最重要的，是它有2 个事件管理器模块( e v ) ，也就是 说，有两组( 3 对互补的6 路) p w m 输出，一路可以用于高功率因数整流( c o n v e r t e r ) ， 另一路可以用于逆变( i n v e r t e r ) ；其功率驱动保护端p d p i n t a 和p d p i n t b 的作用 是，在过流发生时，由硬件关闭所有的p w m 输出；还有可编程的死区模块等。在 下面的小节中，将对这些功能模块做更详细的说明。 t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制芯片完全可以满足高性能的数字化调速控制研 究系统的主控芯片的要求。下面分别介绍该d s p 控制器的各个模块 3 8 。 3 2 2 事件管理器模块( e v a ，e v b ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 控制器有2 个事件管理器模块( e v a 和e v b ) 。每个事 件管理器包括通用目的( g p ) 定时器、全比较p w m 单元、捕获单元和正交编码脉 冲( q e p ) 电路。e v a 和e v b 的定时器、比较单元和捕获单元的功能是相互独立 的。 3 2 2 1 通用目的定时器( g p t i m e r ) 每个事件管理器有2 个g p 定时器。g p 定时器x ( e v a 中x = l ，2 ；e v b 中x = 3 ， 4 ) 包含： 一个1 6 位定时器加，减计数器，t x c n t