（电力电子与电力传动专业论文）油田抽油机节能技术的研究与应用.pdf

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1 ) 。p 式中厂电流频率； p 旋转磁场的磁极对数。 但是，转子的旋转速度拧( 即电动机的转速) 恒比同步转速r l 。为小，因为 如果两种转速相等，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁通，便 不能感应电势e ：和产生电流f ：，也就是没有电磁转矩，转子将不会继续旋转。 因此，转子和旋转磁场之间的转速差是保证转予旋转的主要因素。 转速差( ，l 。- 刀) 与同步转速n 。的比值称为异步电动机的转差率，用s 表示， 即 s ：兰型 ( 2 2 ) 转差率s 是分析异步电动机运行情况的主要参数。 通常异步电动机在额定负载时，, 7 接近于，转差率s 很小，约为 o 0 1 5 - 4 ) 0 6 0 。 2 1 3 异步电动机的调速 对于鼠笼式异步电动机来说，要调节转速，只有通过改变同步转速来实现。 由式( 2 1 ) 可知，调节同步转速的方法只有两种【卯。 1 改变磁极对数p 定子磁场的磁极对数取决于定子绕组的结构。所以要改变p ，必须将定子 绕组绕制成可以换接成两种磁极对数的特殊形式。通常，一套绕组只能接成两 种磁极对数。如在定子上安置两套可变磁极对数的绕组，则可得到四种转速。 这种方法的缺点是显而易见的，主要有： ( 1 ) 是有级的，且级数很少。 ( 2 ) 由于定子绕组的设计须照顾到两种磁极对数的情形，所以不管工作在 那种情况下，都不可能得到最佳设计，因而电动机的效率将降低。 2 调节电流频率厂 迄今为止，采用变频调速所达到的指标，已能和直流电动机的调速性能相 媲美。其主要优点有： ， ( 1 ) 调速范围广。通用变频器的最低工作频率为0 5 h z ，如额定频率 厂= 5 0 h z ，则在额定转速以下，调速范围可以达到a 。, 5 0 0 5 = 1 0 0 。a 。实际是同 步转速的调节范围，与实际转速的调节范围略有出入。 ( 2 ) 调速的平滑性好。在频率给定信号为模拟量时，其输出频率的分辨率 大多为0 0 5 h z 。以4 极电动机( p = 2 ) 为例，则每两档之间的转速差为 占。6 0 _ x 0 0 5 ，m m i n ：1 5 r m i n毛_ ，2 1 5 r 如给定信号为数字量时，输出频率的分辨率可达0 0 0 2 h z 。则每两档之间的 东北电力人学硕士学位论文 转速差为 占。6 0 x ：0 一0 0 2 ，m i n = o 0 6 n 0 6r r a i n占。， z ( 3 ) 在工作特性方面，不管是静态特性，还是动态特性，都能做到和直流 调速系统不相上下的程度。 ( 4 ) 经济性方面，虽然变频调速装置的价格明显高于直流调速装置。但是 在故障率方面，由于直流电动机本身的弱点，变频调速系统反而具有较大的优 势。 2 2 异步电动机的制动 电动机中，凡电磁转矩的方向和转子的实际转矩方向相反的状态，统称为 制动状态。 在多数场合，制动状态都应用于使电动机迅速停止的过程中；但也有的场 合，如起重机在下放重物时，为了阻止重物的不断加速，电动机将在制动状态 下运行【6 】。 2 2 1 再生制动 1 特征和原理 当异步电动机的转子转速刀超过同步转速时，电动机便处于再生制动状 态。其基本特征是： ( 1 ) 与刀同方向； ( 2 ) 刀o 刀，即s = ( 力。一刀) n o 0 。 当 刀) 时正好相反。所以，转子绕组中的感应电动势和电流的方向也都相反，所产生 的电磁转矩的方向也就和旋转方向相反。 电机从轴上吸取功率后，一部分转换为转子铜耗，大部分则通过空气隙进 入定子，并在供给定子铜耗和铁耗后，反馈给电网。所以，这时的异步电动机 实际上处于发电的状态。因而，称之为再生制动。 2 应用场合 在变频调速系统中，降速是通过降低频率来实现的。在频率刚降低的瞬间， 同步转速也同时下降，而拖动系统的转速则由于惯性而尚未下降，于是出现了 刀的状态。 2 2 2 直流制动( 能耗制动) 在定子绕组里通入直流电流，从而产生一个固定磁场。 直流电流通过定子绕组后，在电动机内部建立一个固定不变的磁场，由于 转子在运动系统中存储的机械能维持下继续旋转，转子导体内就产生感应电势 和电流，该电路与恒定磁场相互作用产生作用方向与转子实际旋转方向相反的 制动转矩。在它的作用下，电动机转速迅速下降，此时运动系统贮存的机械能 被电动机转换成电能后消耗在转子电路的电阻中。 直流制动能准确停车，不像反接制动那样，如不及时切断电源会使电动机 反转。不过当电动机停止后不应再接通直流电源，以免烧坏定子绕组。另外， 制动的后阶段，随着转速的降低，直流制动转矩也很快减少，所以制动较平稳。 直流制动的原理与再生制动原理十分类似，但它不能像再生制动那样把拖 动系统的动能再生成电能而反馈回去，而只能让拖动系统的动能完全消耗掉， 故又称为能耗制动。 2 2 3 反接制动 异步电动机的实际旋转方向与电磁转矩的旋转方向相反时的状态即为反接 制动状态。简而言之，即刀与方向相反，是反接制动状态的基本特征。 一般来说，鼠笼式异步电动机不采用反接制动。 2 3 小结 本章主要阐述了异步电动机的原理，以及电动机的调速和制动原理。这些 为实现对油田抽油机的变频调速控制提供了理论依据，同时也为硬件电路设计 提供了技术参考。 第3 章交一直一交变频器的控制原理 3 1 概述 第3 章交一直一交变频调速控制原理 所谓变频调速【7 】，就是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现 调速的。在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而，具 有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机调 速最有发展前途的一种方法。 3 1 1 变频调速原理 由公式( 2 1 ) 可知，改变定子电源频率可以改变同步转速和电动机的转速。 为实现变频调速则需要从硬件电路和控制理论等多角度去开展研究。 3 1 2 变频调速系统的分类 变频调速系统可以分为交一直一交变频调速与交一交变频调速两大类。前 者常称为带直流环节的间接变频调速，后者则常称为直接变频调速，每一类又 可以根据不同的分类方法加以区分【”。 交一直一交变频调速。按照换流电路可以分为串级电感式、串级二极管式、 带辅助晶闸管式( 1 8 0 。通电型) ；按照直流电源型式可分电压型和电流型；按 调压方式可分为相位控制晶闸管整流、晶闸管直流开关和脉冲宽度调制型。 交一交变频调速。按照相数可分为单相单相和三相三相两种；按照连接方 法分有反并联整流电路和交叉连接整流电路；按照有无环流可分为有环流和无 环流两种。 3 2 交一直一交变频主电路 当前采用的比较成熟的交一直一交变频主电路8 驯如图3 1 所示。该主电路 可分为交一直、直一交、制动电阻和制动单元三大部分。 3 2 1 交一直部分 交一直部分的主要任务是把三相交流电转换为平稳的直流电。如图3 1 所示 a 部分，采用了不控桥式全波整流电路。三相全波整流后的电压脉动较大，需要 8 - 第3 章交一直一交变频器的控制原理 进行滤波。由于受到电解电容的容量和耐压能力的限制，滤波电路需要由若干 个电容器并联成一组，又由两个电容器组q 、g 串联而成。此外，为保证各电 容器组所承受的电压相等，而不致使承受电压较高的电容器组损坏，在各电容 器组旁并联了一个阻值相等的均压电阻如，、如，尽量缩小各电容器组所承受 的电压的差距，使之趋于平衡。 彳c ：b i d i s i ib 一 4 k 一(筘一降( 墨 弘f 墨h 【j r c t = 一 持 、7 c f一【jk y l ， 且已 喝 一( 1 爿(1 谢(另 i i 堕 、 图3 - 1 交一直一交变频主电路 9 1 为避免在变频器接入电源的瞬间所产生的冲击电流对整流桥产生损害，在 整流桥和滤波电容器之间接入一个限流电阻j i c ，把充电电流限制在较小的范围 内。当直流电压达到一定程度后，必须将该限流电阻短路掉。该操作由晶闸管喝 完成。 此外，还需要在直流端加设电压指示灯h l ，以确认变频器切断电源后，滤 波电容器上的电荷释放完毕。 3 2 2 直一交部分 直一交部分如图3 1 b 部分所示，主要为逆变电路。其功能是把直流电转换 为频率和幅值由系统主控微处理器控制的三相交流电。其中构成逆变电路的 i g b t 主要由主控电路设计的i g b t 驱动电路部分来驱动控制。而反向二极管在 电动机不同的运行状态下，起着续流作用。 3 2 3 制动电阻和制动单元 由于抽油机属位能性负载，在抽油机工作的一个冲程周期中，会出现电动 机处于再生制动工作状态( 发电状态) ，再生能量通过与变频器逆变桥i g b t 并 联的续流二极管，反馈到直流母线。由于交一直一交变频器的直流母线采用普 东北电力人学硕士学位论文 通二级管整流桥供电，不能向电网回馈电能，所以这部分再生能量只能对滤波 电容器充电而使直流母线电压升高，称作“泵升电压”。 避免直流母线电压过高时对滤波电容器和功率开关器件构成威胁，为保护 电容器及i g b t 的安全，可采用由分流电阻器r ，和晶闸管睥组成的泵升电压限 制电路，也就是将回馈能量消耗在电阻上。亦可以采用现成的变频器选件一 制动单元和制动电阻来实现，只是投资更大，效果更明显。 在技术成熟的条件下，可以对泵升电压加以利用，以达到更好的节能效果， 而不是简单的消耗掉这部分能量。 3 3 变频与变压( v v v f ) 如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压( 过励磁) ， 导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压，也 即v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ea n dv a r i a b l ef r e q u e n c y ) 。 v v v f t 8 1 7 】是在交一直一交变频电路的基础上采用特定的控制信号调制方 法来实现的。 3 3 1 调制方法 1 脉幅调制( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 这种方法的特点是，变频器在改变输出频率的同时，也改变了电压的振幅 值，故称为脉幅调制，常用p a m 表示。 p a m 需要同时调节两个部分：整流部分和逆变部分，两者之间还必须满足 一定的关系，故其控制电路比较复杂，一般很少采用【9 1 。 2 脉宽调制( p u l s ew i d t l lm o d u l a t i o n ) p w m 控制是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形 ( 含形状和幅值) 。 p w m 控制的理论基础】：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环 节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的 输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波n 等分，看成 n 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅不等宽， 中点重合。面积( 冲量) 相等，宽度按正弦规律变化。 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。 第3 章交一直一交变频器的控制原理 p w m 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。自从19 6 4 年a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的 推广应用开辟了新的局面【1 1 1 。 “ji 。、 。a ， ： ：矗 “jl i ： i i ： li 霪匡 i f国国 e 一 9疗， 图3 - 2 用p w m 波代替正弦半波 不论p a m 还是p w m ，其输出的电压和电流的波形都是非正弦波，具有许 多谐波成分。为了使输出的电流波形接近于正弦波，又提出了正弦波脉宽调制 的方式。 3 3 2 正弦波脉宽调制( s p w m ) s p w m 控制技术是一个比较成熟的控制技术【1 7 - 2 0 1 。 1 s p w m 控制的基本原理 为了同时实现变频的同时也变压，同时为了尽量避免产生高次谐波的成分， 可以采用正弦脉宽调制的方法，即将等宽的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其 宽度变化规律符合正弦的变化规律。 产生正弦脉宽调制波s p w m 的原理【8 】是：用一组等腰三角形波与一个正弦 波进行比较，其相交的时刻( 即交点) 来作为开关管“开 或“关 的时刻。 改变调制波( 即正弦波) 的频率，即可以改变输出电源的频率，从而改变电动 机的转速：改变调制波的幅值，也就改变了调制波和载波( 即三角波) 的交点， 使输出脉冲序列的宽度发生变化，从而改变了输出电压。该方法可以大大地减 少谐波成分，可以得到基本满意的驱动效果。 2 s p w m 波的控制方式 对三相逆变开关管生成s p w m 波的控制可以有两种方式【2 0 】：单极性控制和 东北电力人学硕士学位论文 双极性控制。 采用单极性控制时，每半个周期内，逆变桥的同一桥臂的上下两只开关管 中，只有一只逆变开关管按照控制规律反复通断，而另一只逆变开关管始终关 断；在另半个周期内，两只逆变开关管的工作状态正好相反。 采用双极性控制时，在全部周期内，同一桥臂的上下两只开关管交替开通 与关断，形成互补的工作方式。 实际控制中，一般三相桥式p w m 逆变电路都采用比较简便的双极性控制方 式。 s p w m 波毕竟不是真正的正弦波，它仍然含有高次谐波的成分，因此尽量 采取措施减少它。由于电动机绕组能起到一定的滤波作用，s p w m 电流波形会 呈现出近似的正弦波。通常情况下，载波频率越高，谐波波幅越小，s p w m 电 流波形越好。因此，可以通过在一定程度上提高载波频率来减小谐波。主要的 影响因素是，载波的频率要受到逆变电路中开关管的最高开关频率限制，而且 开关管的高频通断会形成对周围电路的干扰。 载波与调制波的频率调整可以采用三种形式 2 0 l ： ( 1 ) 同步控制方式 同步控制方式是在调整调制波频率同时也相应的调整载波频率，即，使二 者的比值为常数。这使得逆变器输出电压的每个周期内，所使用的三角波的数 目是不变的，因此所产生的s p w m 波的脉冲数是一定的。 这种控制方式的优点是，在调制波频率变化的范围内，逆变器输出波形的 正、负半波完全对称，使输出三相波形之间具有1 2 0 。相差的对称关系。但是， 在低频时，会使每个周期s p w m 的脉冲个数过少，使谐波分量加大，这是该方 法的不足之处。 ( 2 ) 异步控制方式 异步控制方式是使载波频率不变，只调整调制波频率进行调速。它不存在 同步控制所产生的低频谐波分量大的缺点，但是，这可能会造成逆变器输出的 正半波与负半波、三相波形之间出现不严格对称的现象，即会造成电动机运行 不平稳。 ( 3 ) 分段控制方式 针对同步控制和异步控制的特点，取二者之长处，即构成了分段控制方式。 在低频段，采用异步控制方式：在其他频率段，使用同步控制方式。在实际应 用中，该种控制方式得到较多的采用。 第3 章交一直一交变频器的控制原理 3 4 u f 控制技术 在s p w m 实现了同时调频调幅的基础上，考虑到异步电动机的工作特性， 可采用已得到普遍应用的u 厂控制技术 1 0 , - 1 3 】。 3 4 1 u f 控制的概念 保持v f 恒定控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它在控制电动 机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，使二者之比u 厂为恒定，从 而使电动机的磁链基本保持恒定。 由异步电动机的等效电路可知，在电动机额度运行情况下，端电压u 和定 子的感应电势e 近似相等。当电动机电源频率变化时，若电动机电压不随着改 变，则电动机的磁链将会出现饱和或欠励磁。而磁链出现饱和后将会造成电动 机中励磁电流过大，增加电动机的铜损和铁损耗；电动机出现欠励磁又会影响 电动机的输出转矩。 显然u 厂控制的基本思想，在对电动机进行变频控制时，若能保持e 厂为 恒定，可以维持磁链恒定l l 。 一般来说，为保证调速过程中电动机的过载能力保持不变，同时满足磁通 基本不变的要求，在恒转矩变频调速系统中，保持u 厂= 定值即可。而在恒功 率调速时，如能满足c 厂4 7 = 定值的条件，则调速过程中电动机的过载能力也能 保持不变，但此时磁通将发生变化，如果此时亦按恒转矩调速满足u 厂= 定值的 条件，则磁通基本保持不变，但是电动机的过载能力将在调速过程中改变。 因此在异步电动机变频调速系统中，为了得到更好的性能，可以将恒转矩 调速与恒功率调速结合起来【l 引。 3 4 2u 厂控制特点 u 厂恒定控制适用于对调速范围要求不高的场合，其突出优点是可以进行 电动机的开环速度控制。 ( ，厂恒定控制存在的主要问题是低速性能较差。这是由于低速时异步电动 机定子电阻压降所占比重增大，已不能认为定子电压和电动机感应电势近似相 等，即仍按u 厂恒定控制已不能保持电动机磁链恒定。电动机磁链的减小，势 必造成电动机的电磁转矩减小。 东北电力人学硕士学位论文 3 5 矢量控制技术 矢量控制理论【1 “18 】( t r a n sv e c t o rc o n t r 0 1 ) 是由德国的e b l a s c h k e 在1 9 7 1 年提出来的。矢量控制法成功实施后，使交流异步电动机变频调速后的机械特 性以及动态性能都达到了与直流电动机调压时的调速性能不相上下的程度。从 而使交流异步电动机变频调速在电动机的调速领域里占有越来越重要的地位。 3 5 1 矢量控制的基本原理 从原理上说，矢量控制方式的特征【1 7 】是：它把交流电动机解析成与直流电 动机一样，具有转矩发生机构，按照磁场和其正交的电流的积就是转矩这一最 基本的原理，从理论上将电动机的一次电流分离成建立磁场的励磁分量和与磁 场正交的产生转矩的转矩分量，然后分别进行控制。其控制思想就是从根本上 改造交流电动机，改变其产生转矩的规律，设法在普通的三相交流电动机上模 拟直流电动机控制转矩的规律。 3 5 2 矢量控制中的等效变换 磁场的等效变换是三相交流笼式异步电动机实现矢量变换控制思想的基本 方法。磁场的等效变换有三相- - 相( 3 2 ) 变换、矢量旋转变换和直角坐标极坐 标变换三种。磁场的等效变换必须遵循以下原则： ( 1 ) 变换前后电流所产生的旋转磁场等效。 ( 2 ) 变换前后两个系统的电动机功率不变。 1 三相二相( 3 2 ) 变换 三相二相( 3 2 ) 变换也称作c l a r k e 变换【1 7 】。 图3 3定子三相绕组和二相绕组磁动势矢量的空间位置 任何在空间按照正弦形式分布的物理量都可以用空间向量表示。如图3 3 可 第3 章交一直一交变频器的控制原理 表不定子三相绕组a 、b 、c 与之等效的二相绕组口、各相脉动磁势矢量的空 间位置。现假定三相的a 轴与等效的口轴重合，磁动势波形是正弦分布的，且 只计其基波分量。按照合成旋转磁势相同的变换原则，两套绕组瞬间磁势在口、 轴上的投影应相等，即 e 2 瓦一c o s 6 0 0 一疋c o s 6 0 0 = f 。i i i 兄一去足 ( 3 - 1 ) f 8 2 f bs i n 6 0 0 f cs i n 6 0 0 ：i 娑f 曰- - t 小疋 ( 3 - 2 ) 也即 乞= 熟一扣引 3 ， 如= 瓮( 。+ 孚一譬如 c 3 削 式中，：、3 分别表示三相电动机和两相电动机定子每相绕组的有效匝数。 又由三相绕组为星形接法，即i 月+ i 矗+ i c = 0 ，或i c = - i j | 一i 矗。则有 屯= 吾瓮。如= 瓮( 孚+ 也0 c 3 剐 可以证明，为了保持变换前后功率不变，变换后的二相绕组每相的有效匝 数2 应为原三相绕组每相的有效匝数3 的号倍。于是三相电流变换为二相电 流的关系为 扣慨= 协+ 佤 ( 3 8 ) 7 口21 虿7 _ 。，。1 互一+ z 7 口 。3 基 因此，c l a r k e 变换( 或3 2 变换) 写成矩阵形式为 阱 层。 压5 一一 2 将上式逆变换可得到c l a r k e 逆变换( 或2 3 变换) ( 3 - 9 ) 东北电力大学硕士学位论文 1 i i 一一一i n 一一ii i i 皇曼曼皇詈詈曼! 詈曼! 皇詈皇鼍 阱 ，厍 o 、3 ” ll 瞒托 ( 3 1 0 ) 同理，电压和磁链的变换式均与电流变换式相同。 图3 - 4 是对称的三相转子绕组坐标系们幻和二相转子绕组坐标系d 却的位 置关系。其中d 轴( 也成为直轴) 位于转子的轴线上，g 轴( 也称交轴) 超前d 轴9 0 。这里取a 轴与d 轴重合。 图3 _ 4 转子三相绕组和二相绕组磁动势矢量的空间位置 不管是绕线式转子还是鼠笼式转子，这些绕组都被看成是经频率和绕组归 算后到定子侧的，即将转子绕组的频率、相数、每相有效匝数以及绕组系数都 归算成和定子绕组一样。 当转子绕组也遵循旋转磁场等效和电动机功率不变的原则时，可以证明， 与定子绕组一样转子三相绕组的c l a r k e 变换过程与定子绕组相同。 但是，与定子绕组坐标系不同的是，不管是a b c 转子绕组还是砌转子绕组， 都在以饥的速度随转子转动，也就是说，这些绕组相对于转子是静止的。 2 矢量旋转变换 i 酽 ，。 、膨，。7 “ 7 图3 - 5 定子电流矢量在d 筇坐标系和m 、t 坐标上的投影 矢量旋转变换m 2 2 1 也称作p a r k 变换。即为交流二相口、夕绕组和直流m 、 第3 章交一直交变频器的控制原理 t 绕组之间电流的变换，这是一种静止的直角坐标系与旋转的直角坐标系之间的 变换。 图3 - 5 中，m t 坐标系是以定子电流角频率缈。速度在旋转。i 。与m 轴的夹 角为幺，m 轴与口轴的夹角为织，因为m 、t 轴是旋转的，因此织随时间在变 化，织= 缈，十，是初始角。 根据图3 - 5 ，可以得到i a 、i 口与i m 、i r 的关系为 k2t m c o s 9 s 叫一册纯 ( 3 - 1 1 ) i p = i u s i n q s + i r c o s 伊jj 其矩阵关系式为 卧暖：删 式中，i 伽纯一跚玎仍| 一c 是两相旋转坐标系伽丁到两相静止坐标系d 筇的 l s i n 孽a ，c o s 织j 变换矩阵。易知这是一个正交矩阵，即有c7 = c 一。所以两相静止坐标系d 筇 到两相旋转坐标系o m t 的变换为 川确c o s 孽o 纯s 驯玎 协 以上两式分别是定子绕组的p a r k 变换和逆变换口2 1 。 实际的异步电动机矢量变换控制系统结构形式很多，并在不断地发展。将 交流电动机模拟成直流电动机加以控制，其控制系统也可以完全模拟直流电动 机的双闭环调速系统，所不同的是其控制信号要从直流量变换到交流量，而反 馈信号则必须从交流量变换成直流量。 3 6 小结 本章重点从交一直一交变频调速原理出发，详细说明了各种交流异步电动 机变频调速的控制技术和实现原理，同样还对各种控制技术做了比较，为每种 交流异步电动机变频调速的控制技术提供了指导性的解决方案。 第4 章系统的硬件设计 第4 章系统的硬件设计 4 1 系统功能概述 为了将第3 章中所叙述的方法做出实际应用，实现对交流异步电动机的有 效控制，需要设计硬件的系统结构，以必备的硬件资源来完成诸多的任务。综 合考虑，所设计的系统必须具备这些基本的功能：交一直变换电路、i g b t 驱动、 多机通讯、数据存储、a d 采样、数字信号接口、l c d 显示、键盘等。 图4 1 用框图的形式描述了本系统的功能构成。 图4 - 1 系统的功能框图 通过上图可以看出，以主控微处理器为中心，结合外围电路，该系统可以 实现基本的交流异步电机控制。其中电源部分主要考虑到系统中可能用到不同 的电压等级，确保系统内其他各功能模块能够正常工作。数字信号的输入输出 模块给系统预留了一些特殊的控制信号输出，或者数字信号输入检测的功能。 4 2 主控微处理器 在选择主控微处理器的时候，有几个基本的原则需要遵守： ( 1 ) 处理速度。因为涉及了相关算法，具备一定的运算量。 ( 2 ) 接口丰富。可以根据具体的需要方便地进行外设扩展。 ( 3 ) 具有p w m 控制功能。尽可能简便地实现p w m 控制，避免过度干预。 第4 章系统的硬件设计 其实除了以上几点选定主控微处理器的基本出发点之外，还有其他的因素 需要考虑在内，譬如片内存储器容量、工作电压等级、以及开发难易程度和价 格因素等。 综合考虑，当前所接触的微处理器中，有两种比较适合。其一是c y g n a l 公 司的高速混频信号处理器，集成了c i p 5 1 内核，与常用的5 l 系列单片机具有很 大的兼容性，且其片上资源丰富，开发比较容易，属于低端的解决方案；另外 一款则是t i 公司开发的专用d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。无论从片上资源、技术要 求或者是处理能力，还是简单的从价格上，这是一个高端的解决方案。 4 2 1 砷m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 与c 8 0 5 1 f 0 2 0 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机是一款功能强大的片上系统( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) ，它 具有与8 0 5 1 兼容的内核，与m c s 5 1 完全兼容的指令集。由于采用了流水线结 构，指令机器周期为1 个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达到 2 5 m i p s ，并且支持片内j t a g 调试功能。片内集成的资源有：交叉开关、6 4 k 在系统编程的f l a s h 程序存储器、4 k 内部数据r a m ，1 2 8 b 数据f l a s h ，6 4 个i o 线，5 个通用1 6 位计数器定时器，两个增强型的串行通信口、s m b u s 总 线( 1 2 c 兼容) 、可编程计数定时器器阵歹i j ( p c a ) ，四个外部中断、s p i 总线、两 个电压比较器( c p 0 和c p l ) ，a d c d a c 转换器、2 2 个矢量中断源、片内电压 基准以及片内看门狗等。性能在同类单片机中表现出众。 c 8 0 5 1 f 0 2 0m c u 系列的p c a 包括一个专用的1 6 位计数器定时器时间基准 和5 个可编程的捕拟比较模块。时间基准的时钟可以有六个不同的时钟源进行 选用。每个捕捉比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高 速输出、频率输出、8 位脉冲宽度调制器和1 6 位脉冲宽度调制器。p c a 捕捉 比较模块的i o 可以通过数字交叉开关连接到m c u 的端口y o 引脚。采用p c a 中的任意三个可编程的捕捉比较模块都可以比较简便地实现p w m 控制。 t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 2 8 】是t i 公司生产的针对电力系统控制及电机控制优化的 高性能3 2 位数字信号处理器，内部集成了丰富的可用资源，总线不出芯片的设 计使处理器的速度及抗干扰性的到了提高。两个功能完全一致的事件管理器， 可实现对较为复杂系统的控制；其丰富的c a p 、q e p 单元可用于同步，测速， 锁相等多种用途；其丰富的通讯接口c a n 、s c i 和s p i 可完成数据通讯、多点 传输及键盘显示；最高指令执行速度能达到1 5 0 m i p s ，性能超出同类2 0 0 0 系列 d s p 2 邶o 】。丰富的资源和增强的性能使其能实现更好的控制。 东北电力人学硕士学位论文 t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 上的每个事件管理器( e v ) 都具有直接控制三个半高桥 ( t h r e eh a l f - hb r i d g e s ) 的能力，当各个桥臂需要互补的p w m 对去控制时，e v 可以提供这种能力。特别是e v 内置硬件电路可以大大简化产生对称p w m 波形 的操作，可以较为便捷地产生空间向量p w m 输出。此外，每个e v 内还有可编 程的死区发生器。死区发生器电路可以为每个比较寄存器的输出信号产生两个 带有或不带有死区地带的输出。 虽然c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 系列和t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 ，相对于 其他型号的微处理器，都能很好的胜任交流异步电动机的调速工作。但是，二 者各有特色，考虑到本系统设计内容的要求，以速度、精度、操作控制的灵活 性为标准，更优先选择t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 作为本系统的主控芯片。 t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 的主要性能【2 6 】如下。 1 高性能静态c m o s ( s t a t i cc m o s ) 技术 1 5 0 m h z ( 时钟周期6 6 7 n s ) 低功耗( 核心电压1 8 v ，i o 口电压3 3 v ) f l a s h 编程电压3 3 v 2 j t a g 边界扫描( b o u n d a r ys c a n ) 支持 3 高性能的3 2 位中央处理器 1 6 位1 6 位和3 2 位3 2 位乘且累加操作 1 6 位1 6 位两个乘且累加 哈佛总线结构( h a r v a r db u sa r c h i t e c t u r e ) 迅速的中断响应和处理机制 统一的寄存器编程模式 可达4 兆字的线性程序地址 可达4 兆字的数据地址 代码高效( 用c c + + 或汇编语言) 4 片内存储器 8 k x1 6 位的f l a s h 存储器 i k 1 6 位的o t p 型只读存储器 l 0 和l l ：两块4 k 1 6 位的单口随机存储器( s a r a m ) h 0 ：一块8 k x1 6 位的单口随机存储器 m 0 和m 1 ：两块1 k x1 6 位的单口随机存储器 5 根只读存储器( b o o tr o m ) 4 k x1 6 位 6 外部存储器接口 多达1 m b 的存储器接口 可编程等待状态数 第4 章系统的硬件设计 可编程读写选通计数器( s t r o b et i m i n g ) 三个独立的片选 7 时钟与系统控制 支持动态的改变锁相环的频率 片内振动器 看门狗定时器模块 8 三个外部中断 9 外部中断扩展( p i e ) 模块 可支持9 6 个外部中断，当前仅使用了4 5 个外部中断 1 0 1 2 8 位的密钥( s e c u r i t yk e y l o c k ) 保护f l a s h o t p 和l 0 l1s a r a m 防止r o m 中的程序被盗 1 1 3 个3 2 位的c p u 定时器 1 2 马达控制外围设备 两个事件管理器( e v a 、e v b ) 1 3 串口外围设备 串行外围接口( s p i ) 两个串口通讯接口( s c i s ) ，标准的u a r t 改进的局域网络( e c a n ) 多通道缓冲串行接口( m c b s p ) 和串行外围接口模式 1 4 1 2 位的a d c ，1 6 通道 2 8 通道的输入多路选择器 两个采样保持器 单个的转换时间为2 0 0 n s 单路转换时间为6 0 n s 1 5 最多有5 6 的独立的可编程、多用途通用输入输出( g p i o ) 引脚 1 6 低功耗模式和节能模式 支持空闲模式、等待模式、挂起模式 停止单个外围的时钟 4 2 2t m s 3 2 0 f 2 812 的相关设计 t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 芯片2 7 1 采用了双电源模式，给c p u 提供1 8 v 的同时，给 f l a s h 、a d c 及y o s 提供3 3 v 。 为保证t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 能正常运行，在简化设计同时，提高t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 的供电可靠性，可选用t i 生产的d s p 专用电源转换芯片t p s 3 7 h d 3 1 8 。t i 公司 东北电力火学硕_ l j 学位论文 的t p s 3 7 h d 3 x x 系列，