（计算机应用技术专业论文）具有以太网接口的嵌入式变频器的研究与开发.pdf

具有以太网接口的嵌 式变瓣的研究与开发 摘要 变频器以其节能显著、过载能力强等自身的优点在交流传动领域应用非常广泛。嵌入 式系统具有功耗低、可靠性高等突出特征。采用嵌入式系统来设计和实现变频器，使得变 频器可靠性高、性能强、实时陛好，将以太网接口集成于变频器中，使得基于w e b 的变频 器的远程控制和监视变得简单易行。因此，研制一个带以太网接口的嵌入式变频器具有重 要的科学意义和应用价值。本文详细介绍了带以太网接口的嵌入式变频器的系统硬、软件 设计和开发过程。论文整体上是分三大部分来介绍带以太网接口的嵌入式变频器的设计与 实现过程：1 s 、硼 变频器的硬件设计与实现。利用智能功率模块p m 2 0 c s 3 0 6 0 构成系统主 电路中的逆变电路，以a r m 单片机l p c 2 2 9 2 为系统控制电路的控制核心，采用电压空间矢 量p w m 调制技术来实现变频调速；2 以太网接口的软、硬件开发。利用网卡芯片r t l s 0 1 9 a s 完成以太网硬件接口电路，采用精简的7 r c i ) i p 协议来完成以太网的数据传输功能；3 嵌入 式变频器的软件开发。在将嵌入式实时噪作系统uc o s _ i i 成功移植到a r m 单片机l p c 2 2 9 2 的基础上，完成了基于uc o s i i 的系统整体软件的开发。最终，研制出带以太网接口的 嵌 式变频器，并在一台l k w 的异步电机e 做了实验，实验表明本变频器工作性能良好。 同时在论文的结尾，提出了系统存在的不足和有待解决的问题。 关键词：变频器，以太网，电压空间矢量，嵌入式系统，a 删单片机，uc o s i i 具有以太网接口的嵌 式变频器的h 究与开发 a b s t r a c t i n v e r t e ri su s e dw i d e l yi nt h e a ct r a n s m i s s i o nf i e l db e c a u s eo fi t s c h a r a c t e r i s t i c s ， s u c ha sr e m a r k a b l ee n e r g y - e c o n o m ya n dh i g hc a p a c i t y o f s u p e r c h a n r g e f j n b e d d e ds y s t e mh a so u t s t a n d i n ga t t r i b u t eo fl o wp o w e re x h a u s t i o n a n dh i g hr e l l a b i l i t ya n ds oo n i n v e r t e rh a sh i g hr e l i a b i l i t y ，h i g hp e r f o r m a n c e ，g o o d r e a l t i m eu s i n ge m b e d d e ds y s t e mt od e s i g na n dr e a l i z ei t ，a n di tb e c o m e se a s i e rt o b er e m o t e l ym o n i t o r e dw h e ne t h e r n e ti n t e r f a c ei se m b e d d e dt oi t s o i ti so f i m p o r t a n ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u et h a ta ne m b e d d e di n v e r t e r w i t he t h e r n e ti n t e r f a c ei sd e v e l o p e d t h ea r t i c l ei n t r o d u c e si nd e t a i lt h ep r o c e s s o fd e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ee m b e d d e di n v e r t e rw i t h e t h e r n e ti n t e r f a c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r o c e s so fd e s i g na n dr e a li z a t i o n o ft h i se m b e d d e d i n v e r t e rw i t he t h e r n e ti n t e r f a c ei nt h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： 1 t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r eo fs v p l 】| 】mi n v e r t e r i p mp m 2 0 c s j 0 6 0i s u s e dt of o r mc h o p p i n gc i r c u i to fm a i nc i r c u i t m 瑚s i n g l ec h i pc o m p u t e rl f c 2 2 9 2 i sr e g a r d e da sc o n t r o lc e n t e ro ft h es y s t e mc o n t r o lc i r c u i t ，a n dv o l t a g es p a c e v e c t o r 聊mm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi sa d o p t e df o rc h a n g ef r e q u e n c yt oa d j u s ts p e e d 2 t h e d e v e l o p m e n t o fs o f t w a r ea n dh a r 抑a r eo fe t h e m e ti n t e r f a c e e t h e r n e t i n t e r f a c ec i r c u i ti sr e a l i z e du s i n gn e t - c a r dc h i p 盯l 8 0 1 9 a s a n de t h e r n e td a t a t r a n s m i t i o nf u n c t i o ni sr e a l i z e du s i n gs i m p l e xt c p i pp r o t o c 0 1 3 t h ed e v e l o p m e n t o fs o f t w a r eo fe m b e d d e di n v e r t e r o nt h eb a s eo fs u c c e s s f u l l yp o r t i n ge m b e d d e dr t o s uc 0 6 - i io nl p c 2 2 9 2 。t h ed e v e l o p m e n to ft h ew h o l es y s t e ms o f t w a r eb a s e do np c 0 s - i ii sc o m p l e t e d a tl a s ta ne m b e d d e di n v e r t e rw i t he t h e r n e ti n t e r f a c eh a sb e e n d e v e l o p e d ，a n ds u p e r p e r f o r n l a n c ei sg o tt h r o u g he x p e r i m e n to nal k wa s y n c h r o n i s m m o t o r a tt h es a m et i m e ，t h es h o r t c o m i n go ft h es y s t e ma n d t h eu n d e t e r m i n e dp r 曲l e i 】1 a r ep u tf o r w a r do nt h ee n do ft h i sp a p e r k e y w o r d s ：i n v e r t e r ，e t h e r n e t ，v o l t a g es p a c ev e c t o r ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r ms i n g l e c h i pc o m p u t e r ，i ic o s - i i v7 7 6 7 2 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得安徽堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 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谢意。 学位论文作者签名：瑾灰一- 签字日期：膦，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞鲎理王盔堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀堡王 太堂可阱将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、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：磕六， 签字日期：爿眵年钥日 导师签名：挪墟) 签字日期：噼占月石日 具有以太网接口的嵌 式变频器的研究与开发 第一章绪论 随着电力电子器件的迅速发展，以及 代控制理论向交流电气传动领域的渗透，现在 从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率高速传动系统，从般要求的小范围调速传动 到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，几乎都可采用交流 调速传动。交流调速传动的客观发展趋势己表明，它在控制性能方面完全可以和直流传动 相媲美，并己在大多数场合取代了直流传动系统。 交流调速电气传动之所以能够大举进入电气传动调速控制的各个领域，并得到迅速的 发展主要是因为直流电动机结构复杂，应用困难，成本高。而采用交流调速方便，维护简 单，节约能源。尽管人们很早以前就致力于交流电动机调速技术的研究，但是由于不具备 理论与技术物质条件，以致长期以来未能取得突破性的进展。进入7 0 年代，现代控制理论、 新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中得 到了重要的发展，这个时候才为交流电机调速技术的飞跃仓瞄告了个坚实的基础。1 9 7 1 年 伯拉断切克( f b l a s c h k e ) 提出磁场定向矢量塞控制原理”后，交赢调速得到了飞速的发展。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学札d e p e n b r o c k 教授首先提出直按转矩控制理论( d i r e c tt o r q u e c o n t r o l 简稍蛳) “。它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂 计算工作量，而直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通。 由于交流调速系统的种种突出优点，国外大学和公司投入了大量人力、物力加以研究， 并在2 0 世纪8 0 年代已经推出了一系列商品化的交流调速系统，我国也有许多单位在研究、 开发和引进交流调速技术、元器件和装置。为进一步提高交流调速系统的性能，有关研究 工作正围绕以下几个方面展开。： 1 采用新型电力电子器件和脉宽调制( p 惭) 控制技术”。 电力电子器件的不断进步，为交流调速系统的完善提供了物质保证，尤其是新的可关 断器件，如双极结型晶体管( b j t ) 、场效应晶体管( m 。s f e t ) 及绝缘栅双极型晶体管( i g e r r ) 的实用化，使得高频化呲术成为可能。目前电力电子器件正向高压、大功率、高频化、 组合化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电流型、电压型和交一交型三种。电 流型变频器的优点在于给同步电动机供电时可实现自然换相，并且容量可以做得很大，但 对于应用广泛的中小型异步电动机来说，其强迫换相装置则显得过于笨重。因此，p w m 电压 型变频器在中小功率电机调速系统中无疑占主导地位。目前已有采用m o s f 日和i g 盯的成熟 产品，开关频率可达1 5 2 0 k h z ，实现无噪声驱动。值得注意的是，目前国外正在加紧研制 新型变频器，如矩阵式变频器，串、并联谐振式变频器等也开始进入实用阶段。 2 应用矢量控制技术及现代控制理论。 交流电动机是个多变量、强耦合、非线性被控对象，仅用电压频率( u f ) 恒定控制， - 1 具有以太网接口的嵌 式燕朔碌泊狮瞄开发 不能满足对调速系统的要求。2 0 世纪7 睢时燃出的用矢量变换的方法研究电机的动态控 制过程，不但控制各变量的幅值，同时控制其相位，并利用状态重构和估计的现代控制概 念，巧妙地实现了交流电机磁通和转矩的重构和解耦控制，从而促进了交流电机商眭能调 速走向实用化。目前国外用变频电源供电的异步电动机采用矢量控制技术已成功地应用于 轧机主传动、电力机车牵引系统和数控机床中。此外，为解决系统复杂性和控制精度之间 的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控带忏日定子磁场定向控 制等。尤其自从计算机用于实时控制之后，使得现f 睦旆9 理论中各种控制方法得以应用， 如二次型性能指标的最伊t 控制和双位模拟调节器控制，可提高系统的动态性能，滑模变结 构控制可增强系统的鲁棒| 生，状态观测器和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的电机状态信 息。 3 广泛应用计算机技术 随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这 使得以单片机为控制杨心的全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。计 算机的应用主要体现在两个方面，一是用微机进行控制，交流电机数字控制系统可用专门 的硬件电路，加上通用模板组成最小目标系统。对高性能运动控制系统来说，由于控制系 统复杂，要求存储多种数据和快速实时处理大量的信息，可采用微处理器加数字信号处理 器( d s p ) 的方案，除实现复杂的控制规律外，也便于故障监视、诊断和保护、人机对话等 功能的实现。计算机的第- 4 , 应j n 就是数字仿真和计算机辅助设计。仿真时如发现系统性 能不理想，则可用人机对话的方式改变控制器的参数、结构以至控制方式，直到满意为止 这样得到的参数可直接加在系统上，避免了实际调试的盲目性及发生事故的可自旨陛。 4 开发新型电机和无速度传感器技术 各种交流调速系统的发展对电机本身也提出了更高的要求。电机设计和建模有了新的 研究内容，诸如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电系统方程的联解、电机 阻尼绕组的合理设计等问题。为了更详细地分析电机内部过程，如绕组短路或转子断条等 问题，多回路理论囱垂而生。目前在小功率运动控制系统中得到重视和广泛应用的是永磁 同步电机，其物质基础是具有较大剩磁和矫顽磁力的新型永磁材料的迅速发展。一般来说， 为了满足高性能交流传动的需要，要进行转速闭环控制。而要实 w 牟轩惠和位置的反馈控制， 速度传感器是必不可少的，但由于它的安装带来了系统成本增加、体积增大、可靠 生降低 和易受工作环境影响等缺陷，这使得成本合理、性能良好的无速度传感器的交流调速系统 成为近年来的一个研究热点。 1 2 变频调速技术的发展与应用 1 2 1 变频器的拓扑和结构刚 从结构上看，变频器可分为直接变频和间接变频两类。直接变频又称为交一交变频，是 具有以太阿接口的嵌 式变频器的研究与开发 种将工频交流电直接变换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变频形式；间接变 频又称为交一直一交变频，是将工频交流电先经过整流器整流成直流，再经过逆变器将直流 变换成频率可变的交流的变频形式，因此这种变频方式又称为有直流环节的变频。 交一交变频器般使用的开关器件是晶闸管，利用电网电压有自动过零并变负的特点， 将晶闸管直接接在交流电源上，使晶闸管自然关断。其过程与可控整流器一样，不需要附 加换流元件，方法简单，运行可靠。而且，交一交变频器削氐频时输出波形接近正弦，且为 次变流，具有较高的效率，还能实现四象限运行。但是由于这种方法使用晶闸管数量较 多，主回路复杂，且输出频率受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的1 2 ，所以交一 交变频器在交流异步电机调速方面主要用于低速大功率传动，特别是启动转矩要求高的场 合。 交一直一交变频器是目前交流电动机变频调速电源的主要形式，按照主电路结构及能量 变换方式的不同，间接变频器又可以分为以下三种： 1 用可控整流电路变压，逆变器变频。这样调速和调频在两个环节上进行，两者要在控制 电路上协调配合。这种装置结构简单，控制方便。但在低匿、低频的情况下，电网侧功率 因数低，输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器( 每周换流六次) ，输出谐波较大。 2 用不可控整流电路整流、斩波器变压、逆变器变频。这样虽然多了个环节，但由于使 用了不控整流，因此输入功率因数较高，克服了第一种方法的第一个缺点。由于输出环节 不变，输出谐波问题仍然没有改变。 3 用不可控整流电路进行整流，p w 逆变器同时进行变压变频。这样的好处在于用不可控整 流使输入功率因数较高，采用p w 吐堑废，则输出谐波减少。这种方式克服了第一种方法的两 个缺点，但谐波能够减小的程度取决于开关频率，而开关频率又受开关器件的限制。但随 着高速自关断器件的发展，这已经不是个限制应用的主要因素了。因此在目前的应用中， 前两种方法已经很少采用，主要采用的还是这种方式。 从变频电源的性质看，无论是交一交变频还是交一直- 交变频，又都可以分为电压源变频 器和电流源受濒器两类对于交一直一交变麴曙燃中间直流环节的不同，可以把变频器分为 电流型和电压型两类。 1 ，中间直流环节采用大电感滤波时，直流回路呈高阻抗，它的输出电流比较稳定，在动态 过程中近似于电流源，强韦蝓出的交流电流为矩形波或阶梯波，这种变频器叫做电流型变 频器。当电流型变频器工作于再生状态时，由于直流电压的方向可以改变，故无需电流反 向即可实现再生制动，所以它特别适合于要求四象限运行的场合。而且电流型变频器输出 电流稳定，电流冲击比较小，对于过载能力比较小的半导体器件尤为适合。但是由于输出 电流中的谐波含量比较大，引起输出转矩脉动，系统运行的稳定性就比较差又因为大电感 使电流的变化受到限制，住啄统的响应避比较慢。 2 当中间直流环节采用大电容滤波时，直流回路呈低阻抗，输出电压比较稳定，强制输出 的交流电压为矩形波或阶梯波，这种变频器叫做电压型变频器。由于电压型变频器的输出 电流可以突变，比较容易出现过电流，所以需要快速的保护系统。电压型变频器最主要的 具有以太网接口的嵌入式女朔嚣的研究与开发 问题是它不能适用电动机四象限运行的要求，不能实现再生制动，这是电压型变频器的最 大缺点。但是电压型变频器最显著的优点是能适用于多台电动机的开环并联运行和协同调 速，在多机传动系统中得到了广泛的应用。而且随着具有自关断能力的功率开关器件的迅 速发展，变频器广泛采用高频脉宽调制技术( p 咖，使得控制与保护的快速性大大提高，电 压型变频器的优势越来越明显，其应用也更加广泛。 对于变频调速系统来说，由于异步电动机属感性负载，无论电机处于电动状态还是发 电状态，功率因数都不为1 0 ，故在中间直流环节与电动机之间总存在无功功率的变换。由 于逆变器中的电力电子开关无法储能，所以无功能量只能靠直流环节中的储能元件来缓冲。 因此可以说，电压型和电流型变频器的主要区别在于用哪种元件来缓冲无功功率。 交流电机是一个非线性、强耦合的系统，它的数学模型的最大特点就是高阶、多变量、 非线性。在实际应用中，通过对它的数学模型做不同的假设，就可以得到不同的动态结构 图，也就有了下面几种不同的控制方法： 1 转速开环，恒压频比控制：这种控制方法的最大优点就是系统结构简单，成本低，可以 满足一般平滑调速的要求。缺点就是系统的静态及动态性能不高。 2 转速闭环，转差频率控制：这种控制方式的突出优点就在于它基本上具备了直流电机双 闭环控制系统的优点，结构也不是很复杂，系统的静、动态性能都得到了很大的改善。但 是由于采用了较强的假定，得到的是近似的动态结构图，因此设计结果与实际应用还有一 定的距离，效果不能令人完全满意。 3 矢量控制：这种控制方法的基本思路是将电机定子电流矢量在适当的坐标系上分解为励 磁电流矢量和转矩电流矢量，分别进行控制，保持励磁电流矢量的幅值不变，直接以瞬时 转矩电流矢量为控制对象，电机因而获得很快的阶跃响应。现在应用很广泛的种转子磁 通定向技术，就是将旋转坐标d 轴固定在转子空间磁链上，保持励磁电流分量i 。，恒定不变， 同时转子磁通也保持不变，这时，瞬时电磁转矩： 陆每蛐， 只和转矩电流有关，这样就将定子电流的励磁分量和转矩分量分开了，从而通过控制定子 电流的转矩分量卉- ，即可达到拄湍0 瞬时转矩的目的。 这种控制方案运算比较复杂，且对电机的参数，尤其是转子电阻的依赖陛较大，因此 在工作环境发生变化或f 氐速运行时，如何保挣眩l 历定向的准馥l 生就是一个需要解决的问题。 一般来说，异步电机运行时，电感参数变化2 0 ，而转子电阻温度变化可达1 0 0 9 6 。针对于此， 人们提出了系列温度补偿和参数辨识的方法，也提出了一些能对参数变化具有较强鲁棒 性的控制算法。但所有这些都还不成熟，而且需要更高处理速度的芯片才能保证实时性的 要求。 具有以太网接口的嵌入式变频器的研究与开发 4 直接转矩控毒i ：直接转矩控制是继矢量控制之后出现的又一种交流电动机调速控制方寨。 它不考虑如何使定子电流解耦，而是直接着眼于对电磁力矩的直接控制。它采用空间矢量 的方法，在定子坐标下计算和控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散两 点式调节产生p m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳选择，以获得转矩的高动态性能 控制。它省去了复杂的矢量变换，没有通常的嗍号发生器。谢空制系统的转矩响应迅速， 限制在拍以内，目无超调。 直接转矩控制中磁链轨迹控制有两种方案，即德国的d e p e n b r o c k 提出的六边形方案和 日本的t a k a h a s h i 提出的圆形方案。感应电动机在三相对称正弦交流电供电时，电机产生圆 形旋转磁场。在变频控制时，使电机产生圆形磁链轨迹，这样就能降低电机损耗、转矩脉 动和噪声，减小对电网的谐波干扰，圆形磁链轨迹控制方案目前应用得较多。六边形磁链 轨迹是直接转矩控制刚提出时的磁链控制方法，该方法的特点是功率开关管的开关频率低， 但该方法电流谐波和转矩脉动都较大，目前主要在大功率高速场合采用。 直接转矩控制对电机转矩采用b a n g b a n g 控制，因而具有最快的转矩响应，但却带来了 转矩脉动大、噪音大等问题。目前变频调速已弪在交流调速系统中占据了主导地位，从数 百瓦的家用电器到上万千瓦的调速传动系统，无所不包的都用到了变频调速技术。而且， 随着自关断元件的发展，各种数字控制技术及p 嘲技术的应用、集成技术以及交流电机调速 理论的不断发展，变频器也朝着高度集成化、采用表面安装技术、转矩控制高性能化、保 护功能健全、操作简便化、驱动低噪音比、高可靠性、低成本和小型化的方向发展。 1 3 以太网在工业控制中的应用现状与发展前景m “ 随着计算机和自动控制技术的高速发展，工业自动化水平已提高到了个崭新的高度。 控伟嵊统的结构从最初的计算机集中控制系统0 0 c s ) ，到第二代的集散控肯愫统( d c s ) ，发 展到觋在流行的现场总线控制系统( f c s ) 。极大地提升了工业自动化水平。近年来，随着网 络技术的飞速发展，i n t e r n e t 正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成 公用数据网络。在此基础匕，传统的工业控制领域也正经历场前所未有的变革，开始向 网络化方向发展，形成了新的控制网络工业以太网控制系统( i e c s i n d u r s t r i a l e t h e r n e tc o n t r o ls y s t e f l l ) 1 。 与其他控制网络相比，以太网的优势主要体现在以下几方面： ( 1 ) 以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络和控制网络得以统。 ( 2 ) 低成本。以太网与计算机、服务器等接口十分方便。 ( 3 ) 以太网易与i n t e r n e t 集成。 ( 4 ) 以太网受到了广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发。硬件开 发商为以太网系统的设计提供了广泛的硬件产品选择，人们对以太网的设计、应用有较为 丰富的经验。 以太网最典型的应用形式是e t b e r n e t + t c p i p 1 ，即灵活的e t h e r n e t 底层加上己成 具有以太网接口的嵌 式变频器的研究与开发 通用标准的网络传输协议t c p i p ，使得以太网能够非常容易地集成到以i n t e r n e t 和w e b 技术为代表的信鼠网络中。这一突出优点，加上能够满足各种要求的足够带宽、开放性的 统一标准、低廉的成本，促使以太网在工! i k 领域得到越来越多的关注。 以太网正逐步向现场深入发展，并尽可能和其他网络形式走向融合，这也是工业以太 网所面临的重要课题。为此，拥有各自产品的厂商正进行不懈的努力。如德国s i e m e n s 公 司，虽说其p r o f i b u s 产品通过自己的通讯处理器可以方便地接入工业以太网，但德国 p r o f i b u s 用户组织的通信方案p r o f i n e t 则希望更进一步。p r o f i n e t 就是p r o f i b u s 现场总 线加上i p 的标准，其本质是想实现p r o f i b u s 与以太网之间通信的统一。它不是新的现场 总线协议，而是使用开放的i t 标准( d c o m , t c p i p ，o k ：，a c t i v e x ，) m ，等) 改造现场 总线，目标是实现开放、分散的自动化与智能化，达到和以太网的高度融合“。 以太网进入工业自动化领域首先是从i o 开始的”“，这类产品最初用于基于p c 机的开 放式控制系统，由于绝大多数商用p c 均提供以太网接口，操作系统也配备了t c p i p 协议， 使几乎所有的i o 供应商均提供个支持t c p i p 协议的以太网接口。另外，控制器、p l c 、 和墨厂商也开始提供以太网接口。现场总线及f c s 的高层大都能与以太网相连接。由于工 业控制的方向是与i n t e r n e t 集成，所以各大现场总线大多与以太网相连接。 随着计算机技术的发展，工业控制领域出现了嵌入技术，现正步入p c 成熟技术向嵌入 式产品转化的后p c 时期。利用嵌入技术的软、硬件，设计者可在单片机系统上实现以太网 技术。目前，嵌入式系统的结构很适合于嵌入仪表和设备中，使这种仪表易于提供以太网 接口，这样，以太网就可至啦撩感器和执行器。事实上，些机构早就在做这方面的研究， 该组织致力于分析在工业自动化领域应用以太网和i n t e r n e t 的协议的障碍，研究可能的实 现方法，并提出相关的标准。一些著名的大公司已利用嵌入技术将以太网接口做到变电站 的保护装置中。目前i e c 正在制定有关变电站自动化系统的内部通信协议，其目的在于使不 同厂家的产品有互掾作性，虽然还未公布，但据了解它的个分层的网络主干网就是以太 网。从以太网的发展势头表明，以太网络将可能成为分布式网络的主要接入网络，并且将 最终连接大多数的传感器与执行器。让现场仪表具有以太网接口而直接构成基于以太网的 工业控制网络，这将是网络产品移植的明显方向。 由于嵌 技术使以太网能到达传感器和执行器，这使得些个网络的瓶颈效直集中在应 用现场总线的设备层上的问题得以解决。可构成如图卜1 所示的新型工业控制网络体系结 构。这个网络的特点是：首先，以太网贯穿于整个网络的各个层次，它使网络成为透明的、 覆盖整个企业范围的应用实体。它实现了办公自动化与工业自动化的无缝结合，因而我们 称它为扁平化的工业控制网络，良好的互连性和可扩展性使之成为种真正意义上的全开 放的网络体系结构，一种真正意义上的大统一。其次，高性能的工业网络要求更高的带宽， 而以太网是一种成熟的快速的网络协议，近期发展的l o o m b p s 快速以太网以及千兆以太网使 其能够胜任成为整个企业范围的主干网，它能提高带宽与响应时间。另外低成本是基于以 太网的工! l k 控制网络的无可比拟的优越性。应用一般现场总线技术的工业控制网络无法实 现办公自动化与工业自动化的无缝结合。由于以太网在可靠陛，速度和优先法则等方面眭 具有以太网接口的嵌 式瞬g 的研究与开发 能的提高，阻碍以太网应用于实时控制环境的难点已被解决。而以太网早已成为商业管理 网络的首要选择，那么它应用于企业现场设备控制层是控制网络发展的趋势，将极大地促 进信息从传感器到管理层的集成，真正实现信息集成。 i n t e r n e t 以太网 长期以来，计算机科学专家们的杰出一实时系统( m s ) 与嵌 式应用产品开发工程师 的理念之间存在着道明显的沟壑。m s 如“阳春白雪”和者甚寡。分析我国推动计算机 嵌入式应用发展的这支队伍可以发现，他们中绝大多数是各个应用领域的专家，而没有受 过计算机专业方面的专门训练。很多人都是从自学8 位微处理器z - 8 0 开始的，缺乏对计算机 科学方面系统的理论知识的深层次理解。在8 位c p u 的嵌入式应用中这种矛盾并不突出。而 科班出身的计算机专家又不可能对各个应用领域都熟悉。多数应用领域的开发人员习惯于 画一块印制线路板，画个程序框图，编一个软件，试试，于是产品开发就完成了。从计 算机科学的角度来看，不但开发出的产品存在诸多的不安全隐患，这种开发产品的方法本 身就不够科学。r t o s 是计算机专豸洲 多年潜心研究的成果，使用r t o s 不仅增加了嵌入式应 用系统的可靠性，缩短了产品的开发时间，而且应用程序的维护也会方便很多。 在嵌入式产品开发中使用r t o s 有很多好处，归纳起来主要有以下几个方面，首先r t o s 支持多任务，应用程序被分解成多个任务，程序开发变得更加容易，便于维护，易读易匿。 提高了开发效率，缩短了开发周期。再者，计算机对关键事件的处理在延迟时间上有保证， 即系统的实时眭可咀保证好于某一确定的值。还有系统的稳定性、可靠性会得到提高。例 如可以增加一些用于监控各任务运行状态的任务来提高系统的可靠性。 价格因素限制了雕髑在我国嵌入式应用产品开发中的推广与普及。也许这才是“和者 甚寡”的最主要原因。多娄姬r o s 的商业产品都相当的贵，著名的啪s 价位在2 万到3 万美元 之间，国内只有少数实力雄厚的单位买得起。使用中，由于许多商业r t o s 软件都是所谓的 黑盒子，即不提供源代码，用户知其然未必知其所以然。理解不透，用得不好，盯o s 的优 势也就不能全发挥出来。有些商业软件还要对开发出来的产品按件收费，费率从几美元到 上百美元，给产品增加了额外的成本。 随着操作系统走向开放，越来越多的带源代码的无版税软件、自由软件得到了广泛的 认可与应用。自由软件l i n u x 和可用于嵌入式应用的pc l i n u x 的出现使盯0 s 不再神秘。一些 具有以太网接口的嵌 式变频器的研究与开发 商业啪s 软件开始公开源代码。r t o s 的些自由软件频频在网上出现，自由软件pc 0 s 就 是很好的一个例子。 n d s 的春天来了，广大嵌入式应用产品开发工程师与计算机专家闻的 沟壑在逐渐填平。 早在2 0 世纪6 0 年代，就已经有 开始研究和开发嵌入式操作系统。但直到最近，它才 在国内被越来越多的提及，在通信、电子、自动化等需要实时处理的领域所日益显现的重 要性吸引了人们越来越多的注意力。但是，人们所谈论的往往是一些国外著名的商业内核， 诸妻n w i n d o w sc e 、p s o s 、v x w o r k s 、l y n x o s 、q n x 等。这些内核性能优越，但价格昂贵，对 于那些想刚氐开发成本的用户，还可以选择开放源码的o s ，如u c l i n u x 、“c 0 s i i 等。令 欣慰的是，国内自主开发的嵌入式操作系统也有一些，女r o e l t a o s 、h o p e no s 等系统。 1 5 本课题研究的意义及主要内容 随着现代控制理论、电力电子技术、计算机控制技术和传感器技术的发展，整个拖动 领域正在进行一场革命，交流电机的调速理论取得了突破性的进展，交流传动取代直流传 动已成为不可逆转的趋势。变频器以其节能显著、过载能力强、调速精度高、响应速度快、 保护功能完善、使用和维护方便等优点在交流传动领域的应用将越来越广泛。近年来，随 着信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场，因此， 需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台，建 立以工业控制网络技术为基础的企【瞻息化系统。与其它工业控制网络相比基于以太网的 工业控制网络的优势主要体现在以下几个方面“：以太网可以满足控制系统各个层次 的要求，使企业信息网络与控制网络得以统一；以太网以其协议简单、完全开放、稳定 性和可靠性好而获得了全球的技术支持，是解决目前的珊场总线之争的有效途径；以太 网易于与i n t e r n e t 集成，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。 根据国内外研究表明，工业以太网已成为工业控制网络的发展方向，成为继现场总线 后的全球工业自动化技术的热点，并将导致场工业觋场信息技术的革命。事实也是如此， 2 0 世纪9 0 年代中后期，国外各大工控公司纷纷在其控制系统中采用以太网，推出了基于 以太网的d c s 、p l c 、数据采集器，以及基于以太网的现场仪表、显示仪表等产品。嵌入式 系统是继i t 网络技术之后，又个新的技术发展方向。嵌入式系统具有眭能强、功耗低、 可靠性高、体积小以及面向行业应用的突出特征，目前已广泛地应用于工业控制和仪器仪 表、信息家电、网络设备、航空、航天等众多领域。将变频器用嵌入式系统来设计和实现， 使得变频器可靠f 生高、性能强、实时性好和具有自我维护功能，将以太网接口集成于变频 器中，使得基于w e b 的变频器的远程控带师咄i 视变得简单易行。研制具有以太网接口的嵌 入式耍朔珊，是积极跟踪国际自动化技术发展的种实耐亍动，并为今后发展带以太网接 口的其它嵌入式低压电器产品提供了有益的借鉴，是提高我国自动化水平的一种策略，若 它广泛运用于工业控制现场中去，将带来良好的经济效益和社会效益，促进国民经济的发 展，对我国自动化水平的提高起一定的推动作用。 具有以太网接口的嵌入起勰的f 仔泻开发 本课题深入细致地研究了带以太网接口的嵌入式变频器的系统硬、软件设计和开发过 程。本课题研究的主要内容有： 1 s v p w m 变频器硬件电路的设计与实现 2 以太网接口电路的硬件设计 3 基于uc 0 s i i 的精简t c p i p 协议栈的实现 4 嵌 式实时操作系统p c o s i i 在a r m 单片机l p c 2 2 9 2 上的移植 5 基于uc o s i i 的整个系统的软件设计 具有以太网接口盼嵌 式躲 的研究与开发 第二章s v p w m 及其变频器的硬件设计 电压空间矢量算法( s v p 麟) 具有直流电压利用率高、损耗较小、便于数字化方案的实 现等优点，因此得到了广泛的应用。s ”w m 实际上是种不同于规则采样方式的脉宽调制波 产生方法，其最大的特点体现在对三相系统的统一表述和控制，以及对幅值和相位的同时 控制两方面。 2 1 电压空间矢量及其控制原理2 1 2 1 1 电压空间矢量 台电压型逆变器如图2 一l 所示，有三组、六个开关( sa 、s a 、sb 、sb 、s c 、sc ) 组成。由于sa , d sa 、sb 和sb 、s c 和sc 之间互为反向，即一个接通，另一个断开，所 以三组开关有2 种可能的开关组合。 l e l e 图2 1 电压型理想逆变器 把开关sa 、sa 称为啪的上下臂开关用sa 表示：sb 、sb 称之为b 相开关，用sb 表 示：把s c 、sc 称之为c 相开关，用s c 表示。若规定a 、b 、c 三相负载的某一相与“+ ”极接 通时，该相的开关、扶态为“1 ”态：反之，与“一”极接通时，为“0 ”态。则8 种可能的开 关组合状态见表2 一l 。 表2 一l 逆变器的8 种开关组合状态 工作状态零状态 状态 1234 56 7 8 s a o 01l1 0ol 开关组 s b 100ol1 0 l s c1ll0o0o1 8 种可能的开关状态可以分成两类：一类是6 种所谓的工作状态，即表2 1 中的状态“l ” 到状态“6 ”，它们的特点是三相负载并不都是接到相同的ae 6 2 _ b 去；另类开关状态是零 开关状态，如表2 1 中的状态“7 ”和状态“8 ”。它们的特点是三相负载都被接到相同的电 位上去。当三相负载都与“+ ”极接通时，得到的状态是“1 1 1 ”，三相都有相同的正电位， 具有以太网接口的嵌 式变频器的研究与开发 所得到的负载电压为零。当三相负载都与“一”极接通时，得到的状态是“o o o ”，负载电 压也是零。 对应于逆变器的8 种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7 种不同的电压状态。i 舒 种不同的电压状态也分成两类：一类是6 种有效电压袱态，它对应于开关状态“l ”至6 ； 另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“7 ”和“8 ”。若用电压空间矢量u 。来表示， 则形成8 个离散的电压空间矢量：u o ( 0 0 0 ) 、u l ( 0 0 1 ) 、u 2 ( 0 1 0 ) 、u 3 ( 0 1 1 ) 、u 4 ( 1 0 0 ) 、u 5 ( 1 0 1 ) 、 u 6 ( 1 1 0 ) 、u 7 ( 1 1 1 ) ，又称为8 个开关矢量，见图2 _ 2 。这样，b 卸( 0 0 0 ) 、u 7 ( 1 1 1 ) 是零电压矢 量外，其余均为有效电压矢量。由p a r k 变换恐1 可知，对于图2 1 的逆变器来说，若其a 、b 、 c 三相负载的定子线圈接成星形，其输出的电压空间矢量u 。的表达式为 ur ：妄( u 。+ e 。2 3 “ub + e j 4 3u 。)( 2 - 1 ) 、 其中，u 。、ub 、u 。分别为三相定子负载绕组的相电压。下面我们利用上式来计 算上述的六个有效电压矢量。 先来计算u l ( 0 0 1 ) ，这时代表sa 、sb 、s c = o ，0 ，1 ，参照图2 1 ，可得 2 u a = u b = 一：e 4 u c 。j e 将u 。、ub 、u 。代入式( 2 - 1 ) ，得 u l ( 0 0 1 ) ：三e e 州孙 同理可得， u 。( 。1 。) = 詈e e j 2 3 “；u 。( 。1 1 ) = j 4e e j “；u 。( 1 0 0 ) = i 4 e e j 。 u 5 ( 1 0 1 ) ：= 4e e 。5 如；u 6 ( 1 1 0 ) ：4e e j l 7 3 n u l ( 0 0 1 ) v u s ( 1 0 1 ) 图2 _ 2 电压空间矢量图 将这六个有效电压矢量和两个零电压矢量映射到复平面上，如图2 - 2 所示，可阻看出 ( 1 ) 逆变器的六个工作电压给出了六个不同方向的电压空间矢量。它们周期性顺序出 具有以太网接口的嵌入式变频器的研究与开发 现，相邻两个矢量之间相差6 0 。 ( 2 ) 有效电压空间矢量的幅值不变，都等于4 e 3 。因此六个有效电压空间矢量的顶点构 成了正六边形的六个顶点。 ( 3 ) 六个有效电压空间矢量的| d 箨是：u 4 ( 1 0 0 ) 一u 6 ( 11 0 ) 一u 2 ( o l o ) 一u 3 ( 0 1 1 ) 可1 ( 0 0 1 ) - - u 5 ( 1 0 1 ) ，它们依次沿逆时针方向旋转。 ( 4 ) 两个零矢量位于正六边形的中心点。 2 1 2s v p w m 控制原理 众所周知，当给异步电机施加三相对称正弦电压时，电机气隙磁通在静止坐标系。一 b 平面上的运动轨迹为圆形。电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 就是从电机的角度出发，着 眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁通。s v p w 磷以理想磁通轨迹为基准，用逆变 器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近理想的磁通圆，从而达到较高的控制性 能。 上- - d , 节我们讨论了电压空间矢量的概念，由已知定子电压方程 u ，：r s i 。+ 孚 d f 忽略定子电阻上的压降，则电机定子磁链矢量可表示为 ts i u 础_ u i t i + 甲s 0( i = o ，l ，2 ，7 )( 2 2 ) 式( 2 - 2 ) 中u i 为8 个离散的电压矢量，t i 为对应电压矢量所作用的时间。可以看出，定子 磁链叩。的运动方向基本是、泖，进行的，其运动速度快慢由电压幅值l u ，| 来确定，根据磁通 轨迹控制原理“，当三相桥臂中点电压为正负1 8 0 。方波时，磁通轨迹为六边形。当合理地 选择非零矢量u ，的施自日j i 回享平时间比例，可形成多边形磁通轨迹，也即逼近圆轨迹。 如图2 - 2 所示的电压空间矢量图，六个有效电压矢量和两个零电压矢量把复平面分成六 个扇区，分别称为为i 扇区、i