基于DSP的开关磁阻电机调速系统的研究--毕业论文

1、基于dsp的开关磁阻电机调速系统的研究摘要本论文介绍了开关磁阻电机调速系统(srd)的构成及其在国际国内的发 展状况，对开关磁阻电机的特点和电磁原理进行了阐述，它的优点有结构 简单、成本低、损耗小、效率高、可控参数多、控制灵活、起动电流小、 起动转矩大。同时介绍了dsp的发展、特点及应用本文分析了dsp与开关磁阻电机控制 器接口电路要求和dsp外围电路接口技术。介绍了srd的控制方式和本系统 所采用的控制策略，讲述了dsp芯片的种类以及各类的作用和应用，随着 dsp芯片性能价格比的不断提高，可以预见dsp芯片将会在更多的领域内得 到更为广泛的应用。经过多年的发展，dsp产品的应用已扩大到人们的

2、学 习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。 本文述对控制器的硬件电路进行了设计，控制器以ti公司的tms320lf2407 为主控单元，发出和通断信号和pwm信号，实现对功率元件的通断控制。 通过控制软件，采用模块化编程，增强了程序的通用性和可读性。最后给出了硬件原理图和软件结构设计框图，初步尝试用dsp控制芯片 作为核心器件实现了开关电动机调速系统。关键词 dsp,开关磁阻电机，脉宽调制错误!未找到引用源。abstractthis article primarily introduces the structure of switched reluctance dr

3、ive (srd) system and its development of native and international. the characteristic of switched reluctance motor (srm) and its electro-magnetics principle are described in dctails.lt of the advantage have structure simple, the cost be low and exhaust small, efficiency big, can control parameter man

4、y, control vivid, start electric current small, start to turn big, ability ratio normal regulations electrical engineering high have to much turn soon bottom circulate, hard enduring.at the same time the article expounds the development,characteristic and application of digital signal processor (dsp

5、).it analyzes a few requests about interface circuit of dsp and srm control. the control method is introduced and the hardware of the controller is designed related the category of the dsp chip and the function of every variety and application.along with the dsp chip function price ratio of continuo

6、usly exaltation, can foresee dsp chip will get in more realm more extensive of application.through the development for several years, dsp product of application already extension arrive people of study, work and life of each aspect, and gradual become an electronics product renewal to change generat

7、ion of decision factor.the paper introduction the controller uses the tms320lf2407 of ti company as the main control unit and produces the on and of and pwm signal of each phase controlling the igbt on and of the control software is programmed. the modular program can make the program universal and

8、readablefinally according to debugging of hardware circuit, control of switched reluctance drive based on dsp is attempted.keywordsds，srm f wm目录摘要错误!未找到引用源。abstract错误!未找到引用源。第1章绪论11.1课题背景11.2 srd系统的发展简介11.3 srd系统概述3131 srd 构成31.3.2开关磁阻电动机的基木结构及其转动原理41.4 sr电机调速系统具有的基本特点51.5 srd系统的应用61.6本文的目的和任务8第2章ds

9、p概述102.1 dsp技术的发展历程及趋势102.2 dsp基本结构、特点及应用112.3.dsp芯片的选择142.3 tms320lf240x的结构及特点192.3.1事件管理器模块202.3.2模数转换模块(adc)232.3.3 pll吋钟模块242.3.4看门狗(wd)和实时中断(rti)模块242.4 dsp系统的设计过程242.5 dsp的开发工具252.6本章小结26第3章srd调速系统硬件设计273.1系统总体设计方案273.2功率变换器的设计273.2.1功率变换器型式的选择283.2.2功率电路的相开关通断时刻283.2.3主开关管选择及参数计算293.3驱动电路设计30

10、3.3位置传感器电路323.3.1位置传感器电路323.3.2速度检测和实现323.4控制电路333.5本章小结35第4章系统软件设计364. 1主要的控制思想364.2设计思想36本章小结39结论致谢参考文献附录第1章绪论1.1课题背景课题背景开关磁阻电机调速系统(switched reluctance drive简称 srd)是80年代中期发展起来的新型调速系统，它是继异步电动机变频调 速系统之后崛起的一种很有发展前景的变速拖动系统。它融电力电子技 术、微电了技术和电机控制技术于一体，为典型的机电一体化技术，具有 优良的调速性能；与直流调速系统和异步电动机变频调速系统相比较，具 有结构简单

11、、成本低、损耗小、效率高、可控参数多、控制灵活、起动电 流小、起动转矩大，能比常规电机高得多转速下运行，坚i古i耐用，适用于 恶劣环境中使用等优点，因此，开关磁阻电动机一问世就引起了国内外电 工界的广泛关注，深信它将在电气传动自动化领域中占有重要地位。1.2srd系统的发展简介最早有记录的sr电机可以追溯到19世纪40年代，但是人们真正从认识到 这种电机的发展潜力，还是从现代电力电子技术和计算机辅助电磁设计发 展之后才开始。这两方面的发展开始于60年代中期，它们不仅为开展sr电 动机的研究工作带来了新的生机，并且将其运行性能提高到了与直流驱动 系统、交流驱动系统及无刷直流驱动相角逐的程度。70

12、年代以英国科学家lawrensonp . j.教授为首，由英国leeds大学和 notingham大学联合成立了用电机及其驱动系统开发电动汽车的攻关小 组，1980年，在经过了近十年的理论研究和产品开发基础上， lawrensonp . j.教授等人发表了著名的科学论文“variable-speed switched reluctance motors'71 2 o文中详尽地介绍了开关磁阻电机的 这种新型屯机的工作原理、设计方法、控制方案以及已研究成功的一系列 样机的实验结果。他们创造性地提出了容电力电子技术和电机设计于一体 的设计观点，彻底解决了早期双凸极结构磁阻电机无法解决的换相问

13、题， 并使得新型磁阻电机的单位出力可以与交流异步电机相媲美甚至还略占优 势，因此这种新型电机一经提出，就得到了国际上的广泛认可。开关磁阻 电机驱动系统也成为这种新型电子换相变磁阻电机驱动系统的正式名称。 这方面的研究论文逐年增加，普及到的国家也逐年增加，如有英国、美 国、徳国、中国、意大利、加拿大、新加坡等国。就srm本身来看，不论是铁芯形式还是绕组连接组成，改变并不是很 多，至今双凸极每极单齿电动机仍占主导地位。在定、转子极数配合上， 有8/6、6/4、12/8、10/8、6/2极等。目前广泛采用的是8/6、6/4极配 合，除双凸极每极单齿外，srm述有每极多齿、单边凸极等结构形式。3 随着

14、电子工业的迅速发展，越来越多的新型半导体器件投入商用，器件 的工作性能在不断提高，价格却越来越低。这无疑促使sr电机调速系统的 设计朝着完善装置性能、降低商品成本的方向发展。目前系统中使用的主 要开关器件可以选用mosfet、igbt、mct等新型器件来代替已往使用的 scr、bjt、gt0等功率开关管，从而可以进一步完善系统的运行性能，并 降低功率开关管驱动电路和保护电路的设计成本。自1983年英国tasc公司首次推tlloulton系列的sr电机调速装置商业化产 品以来，sr电机调速系统已逐渐成为其它各种调速装置的竞争对手，并在 不断地争取各种可能的用户。各国学者将sr电机调速系统与各类可

15、改变速 驱动装置作了大量的比较分析，对其成本，性能和应用领域做了全面的论 证。他们认为该装置的应用领域可以遍及家用，一般工业、伺服系统，牵 引、高速驱动、飞机及汽车上的各种辅助装置等。我国的srd研究自80年代中期开始，目前己有许多院校和厂所投入不少 力量，并逐步从实验室走向生产和推广应用。我国已在1988、1991年、 1993三次召开了开关磁阻电机研讨会，并于93年初成立了开关磁阻电机学 组，国内开发srd较为成功的单位有:华中理工大学、北京纺机所、太原理 工大学、浙江大学等。迄今为止，srd系统的发展历程仅有短短的二十余年，但它却取得了令 人瞩目的成绩，其产品已在电动机驱动系统，家用电器

16、、工业应用、伺服 系统、高速驱动等众多领域得到成功应用，其功率范围也覆盖了从10到 5mw,转矩从0. 01n. m到ion. in,转速可达100, 000r/min. h前srd系统的研 究主要涉及以下几个方面.4(1) srm参数的确定，主要是磁链曲线的测量和计算；(2) 性能的精确估算，包括整个系统稳态和动态性能的数字仿真；(3) srd系统的优化，包括从电动机的设计和控制器软、硕件两方面来提 高系统效率、降低噪音和转矩脉动；(4) 无位置传感器的srd系统的研制，位置闭环控制是开关磁阻电动机的基 本特征，但它的存在会使电机结构简单的优点变得逊色，降低了可靠性。 为此探索实用的无位置检

17、测器方案是十分引人注目的课题；(5) 变换器方案和主开关元件选择；(6) 数字信号处理器和专用集成电路的应用，主要是根据不同的控制方案 选择合适的数字信号处理器以及控制电路的asic设计；(7) 高速开关磁阻电动机产品开发；(8) 振动、噪声研究；(9) 铁损耗分析与效率研究。1.3 srd系统概述1.3.1 srd 构成开关磁阻电动机调速系统:主要由srm、功率变换器、控制器、位置检测 器构成。如下图1t所示。sr图1 1srd系统框图5(1) 磁阻电机:srm是srd中实现机电能t转换的部件，系双凸极可变磁阻电 动机，其定转子的凸极均由普通硅钢片亚压而成。转子无绕组也无永磁 体，定子极上绕

18、有集中绕组，径向相对的两个绕组可串联或并联构成一对 磁极，称为“一相”。srm可以设计成多相结构，且定、转子的极数有多 种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂， 口主开关器件多，成本高。因此电机定、转子的极数应当按使用的场合合 理确定。srm的转向与电流方向无关，为单向电流。通过简单的控制方式 便可改变电动机的转向、转速和工作状态。(2) 功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给srm,由蓄 电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于srm绕组电流是单向的，使 得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而口相绕组与主开关器件是串联 的，因而可以避免直接短路故障。sr

19、i)的功率变换器主电路的结构形式与 供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。(3 )控制器是系统的中枢。本文采用数字处理器芯片作为控制中心来进行 控制，它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的 反馈信号，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对srm运行状 态的控制。1.3.2开关磁阻电动机的基本结构及其转动原理开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调 速系统的优点，是继变频调速系统、无刷肓流电动机调速系统的最新一代 无极调速系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，口在整 个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。主要有开关磁阻电机、功

20、 率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。控制器内包含控制电路与功 率变换器，而转子位置检测器则安装在电机的一端。开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围 10w-5mw的各种高低速驱动调速系统。使的开关磁阻电机存在许多潜在 的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用（电动车驱 动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域）。其结构简单，价格便宜，电机的转子没有绕组和磁铁。电机转子无永磁体，允许较高的温升。由于绕组均在定子上，电机容 易冷却。效率高，损耗小。转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕组电流，每相一个功率开 关，功率电路简单可靠。sr电动机的定子和转

21、子铁心是由硅钢片叠装的，在定子铁心内圆周和 转子铁心外圆周均分布齿和槽，齿又称凸极，即所谓双凸极结构。定子铁 心每个齿上安装象直流电机主磁极绕组一样的集中绕组，转子铁心齿上不 安装绕组。定子内圆周上相对的两个齿上的绕组串联（顺向）成为一相绕 组。sr电动机的运行原理遵循磁阻最小原理一磁通总要沿着磁阻最小的 路闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己钩主 轴线与磁场的轴线重合。srd系统各部件的结构及工作原理：开关磁阻电动机调速系统所用的 开关磁阻电动机（srm）是srd中实现机电能量转换的部件，也是srd 有别于其他电动机驱动系统的主要标志。srm系双凸极可变磁阻电动机， 其

22、定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体， 定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组联接起来，称为“一相”，sr 电动机可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭 配。相数多、步距角小，有利于减少转矩脉动，但结构复杂，且主开关器 件多，成本高，目前应用较多的是四相（8/6）结构和三相（12/8）结构。 图2示幽四相（8/6）结构sr电动机原理图。为简单计，图中只画岀a相绕 组及其供电电路。sr电动机的运行原理遵循“磁阻最小原理一'磁通总要 沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置 时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。图2中，

23、当定子dd'极励磁 时，仁匸向定子轴线dd重合的位置转动，并使d相励磁绕组的电感最大。 若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给dta->b->c 相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反z,若依 次给btatdtc相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。可见，sr电 动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。另 外，从图2可以看出，当主开关器件s1、s2导通时，a相绕组从直流电源 us吸收电能，而当s1、s2关断时，绕组电流经续流二极管vd1、vd2继 续流通，并回馈给电源us。因此，sr电动机传动的共性特点是具有再生 作用，

24、系统效率高如图(附录二)由此可见，通过控制加到sr电动机绕 组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置(即导通角、关断 角)，即可控制sr电动机转矩的大小与方向，这正是sr电动机调速控制的 基本原理。1.4 sr电机调速系统具有的基本特点开关磁组电动机调速系统z所以能在现代调速系统屮异军突起，主要 是因为它卓越的系统性能，主要表现在：(1) 电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。srd的结构比鼠笼式感 应电动机还要简单。其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不 会有鼠笼感应电机制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题。其转 子机械强度极高，可以用于超高速运转(如每分钟上万转)。在定

25、子方 面，它只有几个集中绕组，因此制造简便、绝缘结构简单。(2) 功率电路简单可靠。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只 需单方相绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比异步电 动机绕组需流过双向电流，向其供电的pwm变频器功率电路每相需两个功 率器件。因此，开关磁阻电动机调速系统较pwm变频器功率电路屮所需的 功率元件少，电路结构简单。另外，pwm变频器功率电路中每桥臂两个功 率开关管直接跨在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率器件。而开关磁 阻电动机调速系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，根木 上避免了直通短路现象。因此开关磁阻调速电动机调速系统中功率电路的 保护

26、电路可以简化，即降低了成本，又有较高的工作可靠性。(3) 系统可靠性高。从电动机的电磁结构上看，各项绕组和磁路相互独 立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在 各相绕组和磁路共同作用下产牛一个旋转磁场，电动机才能正常运转。从 控制结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作。 由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该 相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其他妨碍。(4) 起动转矩大，起动电流低。控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机 侧得到较大的起动转矩是木系统的一大特点。典型产品的数据是：起动电 流为额定电流的15%吋，获

27、得起动转矩为100%的额定转矩；起动电流为额 定电流的30%时，起动转矩可达其额定转矩的250%0而其他调速系统的起 动特性与z相比，如直流电机为100%的电流，鼠笼感应电动机为300%的电 流，获得100%的转矩。起动电流小而转矩大的优点述可以延仲到低速运行 段，因此本系统十分合适那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机 械。(5) 适用于频繁起停及正反向转换运行。本系统具有的高起动转矩、低起 动电流的特点，使z在起动过程屮电流冲击小，电动机和控制器发热较连 续额定运行时述要小。可控参数多使其制动运行能与电动运行具有同样优 良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之适用于频繁

28、起停及正反向转换运行，次数可达1000次/小时。(6) 可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常 用方法至少有四种：相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。可 控参数多，意味着控制灵活方便。可以根据对电动机的运行要求和电动机 的情况，采取不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态(如岀力 最大、效率最高等)，还可使之实现各种不同的功能的特定曲线。如使电 动机具有完全相同的四象限运行能力，并具有最高起动转矩和串励电动机 的负载能力曲线。由于srd速度闭环是必备的，因此系统具有很高的稳速 精度，可以很方便的构成无静差调速系统。(7) 效率高，损耗小。本系统是一种非常高效的

29、调速系统。这是因为一方 面电动机绕组无铜损；另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽 转速范围和不同负载下实现高效优化控制。以3kw srd为例，其系统效率 在很宽范围内都在87%以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。将本 系统同pwm变频器鼠笼型异步电动机的系统进行比较，本系统在不同转速 和不同负载下的效率均比变频器系统高，一般要高510个百分点。(8) 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。1.5 srd系统的应用随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高， srd系统已有了系列化产品，其多种功率srd系统在不同的工业部门和家用 电器中得到应用。(1) 用于龙

30、门创床:工业上需要电动机能频繁启、停及正反转，开关磁阻调 速电动机能较好的实现。如机械工业中龙门刨床、铳床、冶金行业的可逆 轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降系统，建设工程中的沥青、水泥混 凝土系统等。(2 )用于纺织探边设备:经过纺织行业的“探边”与“对中”设备的实践 使用，取得了较好的效果。对作为“探边”设备的动力，其反应速度小于 0.3s,即电动机运转时，接到指令后，能在0.3s内实现反转，并要求在24 小吋内连续频繁运转，同吋要求在较宽广范围内进行无级调速。(3) 用于家用电器:将克服当今洗衣机和空调机、电冰箱的缺陷，成为更完 善新一代产品。sri)系统具有优良的调速性能，有更高的电能

31、机械能转换 效率，特别是在中低速时，优势尤为突出。从而能有效的克服了变频调速 系统的弊端，使节能更为有效。一般情况下，空调均是高耗能型家电，如 果能节5%能以上，必将会获得较大的经济与社会效益。(a) 在洗衣机中的应用目前，世界上使用面广、为广大用户所接受的洗衣机主要有两大类：一类 是波轮式全自动洗衣机；另一类是滚筒式全自动洗衣机。这两类洗衣机对电动机有着共同的性能要求：洗涤时要电动机低转速转 动，且能频繁地正反转；脱水时要电机能高速旋转。长期以来，这两类洗衣机基本上都采用了一种变极双速单相感应电动机而 勉强达到使用要求，但缺点是很明显的：(i) 调速性能差，在洗涤时只有一种转速难以适应各种织

32、物对洗涤转速 的要求，而所谓的“强洗”、“弱洗”、“轻柔洗”等洗涤程序的变化仅 仅是靠改变正反转的持续时间而己。而且为了照顾洗涤时对转速的要求， 往往使得脱水吋的转速偏低，一般仅为400转/分钟至600转/分钟。(ii) 单相变极双速感应电动机的效率很低，一般均为30%以下。而其起 动电流竟是额定电流的78倍以上，这会对电网造成冲击。如果用开关磁阻调速电动机来取代单相变极双速感应电动机则可以取得十 分满意的效果。南京瑞鹏科技有限公司成功开发了用于5kg滚筒洗衣机的srd专用系统，取 得了令人振奋的效果。系统的“标准洗”，滚筒的转速为57转/分钟；而 “轻柔洗”、“丝绒洗”滚筒转速则为25转/分

33、钟。真正做到高档织物不 损伤。“脱水”时滚筒转速可在400转/分钟至1200转/分钟之间任意设定 选取。系统还为洗衣机的各种动作设计了专用程序。如为正转、反转洗 涤设计了特定的起动、加速、减速程序，可有效的提高衣物的洗净率。为 漂洗和脱水分别设计了特定的起动、均布升速程序，有效避免在脱水时由 于衣物在滚筒上分布不均而造成的振动和噪声；而对于根本不可能均匀分 布的洗涤物，则可智能地为其选择较低的脱水转速。经测试比较，同样 的衣物，同样一个“标准洗”，木系统的用电量仅为普通滚筒洗衣机(双 速感应电动机为动力)的44%；其耗电、耗水、洗净度、脱水率、噪声等 一系列指标都达到了欧洲a类洗衣机的标准。(

34、b) 在空调和电冰箱的应用空调、电冰箱的核心部件是压缩机，可是目前进入千家万户的普通空调、 电冰箱的压缩机大都是由单相异步电动机来驱动的。它的缺点表现为： 一、由于他们采用简单的通断式来进行控温，这样将带来许多毛病，如系 统效率低、功率因素低、温度起伏大、因起动电流大而对电网产生冲击 等。二、近年来出现了“变频空调”新产品，它采用异步电动机变频调速系 统来取代单相异步电动机。相比较而言，变频空调具有制冷速度快、环境 舒适度好、对电网无冲击、运行噪声小、效率高和节能等一系列优点，是 空调升级换代的革命性措施。但变频调速系统在运行中、低速时，机械特 性通常变差，系统效率和功率因素下降明显。而变频空

35、调系统压缩机的电 动机恰恰绝大多数时间在中、低转速状态下运行，只是刚开始时是高速运 转。因此，这给变频空调系统的节能优越性大大的打了个折扌】|。而开关磁 阻调速电动机系统除了具有变频调速系统的一系列优点外，它具有比变频 调速系统更高的电能一机械能转换效率，特别是在中、低转速运行时， 这一优势就更加明显。这一点在此就不再赘述。(4) 在电动车驱动上的应用，由于燃油汽车废气严重污染环境，故发展 和完善无污染的电动车是社会的必然。而发展电动车除了车内的蓄电池要 有高能量密封z外，再则就是要有性能和效率很优越的电动机调速系统作 动力。而srd系统高效率、高可靠性、宽广的调速范围，卓越的启、制动 性能，

36、它是各类电动车最理想的动力之一。据有关资料报道，轻轨电动车 列车将列入我国“十五”重大科技攻关项目。(5) 高速运行应用场合的开发：由于srm电动机具有坚固性和需要相对低 的开关频率，所以在叠片性能和轴承满足的条件下可作高速传动与运行， 为此，作为开发高速srd系统又是一个应用方向。据有关资料说明：美国为 空间技术应用研制25000r/min, 90kw的高速srd样机，其电动机有效材料 仅为lokgo虽然srd系统在我国出现较晚，产业化工作滞后，它的特点目前未被 广大用户所了解，但由于srd系统具有十分优良的控制性能，从而使得某 些领域可取代现在仍广泛采用的交流变频调速系统，特别是在一些现有

37、调 速系统难以胜任的场所发挥作用。1.6本文的目的和任务随着工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产甜需求的不断 增加，现代电机控制技术也变得越来越重要。但开关磁阻电机的调速和控 制以前大多用单片机8031, 8051等进行控制，电路釆用的元器件多、运行 速度慢、硬件结构复杂、系统运行可靠性差、控制灵活性小等缺点。并且 在这种控制系统屮，sr电动机磁场非线性，转子磁链模型计算、转子参数 的辩识与校正等，使系统变得十分复杂。数字信号处理器(digital signal processor) dsp的出现，为电机系统的数字化控制注入了新的生 机，完全解决了开关磁阻电机的这些要求。本文把数字信号

38、处理器dsp应用于开关磁阻电机调速系统中，使得srm 调速系统控制灵活。数字信号处理器是伴随着微电子技术的迅速发展和数字信号处理理论 与技术的不断完善，而开发的现代高速数字信号处理单片机，是电子信息 领域的新型高科技产品。美国ti (texas instrument)公司最新推出的高性 能16位数字信号器tms320f240x,是专门为电机的数字化控制而设计。 tms320c/f2000系列芯片将dsp高速运算能力与面向电机的高效控制力集丁 一体，能较好地处理电机的控制问题。系统利用dsp高速采样及高速运算的特点，用脉冲宽度调节pwm技术的 控制方法来实现了数字化的闭环控制，从而实现了开关磁阻

39、电动机的全数 字化控制。本文研究的具体有一下内容：(1) 首先介绍了srd系统的发展、特点以及应用，诠释srd系统的概念， 较为详细的了解srd系统。(2) 介绍dsp的概念、发展趋势以及结构特点，以及dsp芯片的分类、选 择、开发过程。(3) 第三章主要介绍srd系统的硕件框图设计、功率变换器件的选择、设 计以及驱动电路、位置传感器、控制电路等。(4) 最后说明软件部分的框图设计。第2章dsp概述2.1 dsp技术的发展历程及趋势dsp是digital signal processor (数字信号处理器)的缩写,它是一 种能够快速进行乘法和加法运算，适用于高速数字信号处理的单片大规模 集成电

40、路。它的出现使得数字信号处理技术从理论研究进入到实际应用阶 段。20世纪50年代末，数字信号处理作为一门新兴的学科开始发展起来。 数字信号处理技术中包含有各种数字滤波及离散傅立叶变换(dft)等算 法，其特点计算量大、耗吋多，在实际系统中应用较为困难。在数字信号 处理技术发展初期，dsp未出现以前.由于受到数字信号处理技术特点的限 制，人们只能在大型计算机上进行数字信号处理技术算法的研究和处理系 统的模拟和仿真。随着人们对数字信号处理技术优越性的认识加深，人们 迫切要求牛产出一种能够适应相关数字信号处理所要求的快速实时处理、 处理数据量大、处理精度高等特点。20世纪60年代中后期，随着快速傅立

41、 叶变换(fft)提出及大规模集成电路技术的发展，使得用硬件实现数字滤 波及傅立叶成为可能。dsp是以数字信号来处理大量信息的器件，能够每秒钟处理千万条复 杂的指令程序，其处理速度比以往最快的微处理器还快1ct50倍。dsp技术 的发展经历了三个阶段。70年代，是数字信息处理技术的理论研究阶段， 具有代表性的著作是美国两位著名教授a. v. oppcnhcimh和r. v. schafer写 的“digital signal processing，z (1975) o数字信号处理技术的出现,成 为分析实际现象的有力工具，当时的asp系统由分离元件组成。其应用领 域仅局限于军事、航空航天部门。进

42、入80年代，随着大规模集成电路技术的发展，数字信号处理技术应 用范围不断扩大，要求提高信息处理速度，进一步降低成本，推动了dsp 技术的发展。这时的dsp已是一种专用的微处理器，能够快速输入和输出 信息数据，快速处理以运算为主的信息。1982年，美国ti公司研制岀了第 一代低成木高性能的dsp. dsp芯片的问世是个里程碑，它标志着dsp应用系 统由大型系统向小型化迈进了一大步。至80年代中期，随着cmos技术的进 步与发展，第二代基于cmos工艺的dsp芯片应运而生，其存储容量和运算 速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硕件处理技术的基础。80年代 后期，第三代dsp芯片问世，运算速度进一

43、步提高，其应用于范围逐步扩 大到通信、计算机领域。使dsp技术开始在工业领域中得到应用和普及进入90年代，dsp技术有了惊人的发展，相继岀现了第四代和第五代 dsp器件。现在的dsp属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更 高，将dsp芯片及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的dsp 芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领 域。当前，电子产品正在发牛从模拟到数字的转化，数字化是当前信息领 域发展的一大趋势。在这一场数字化的革命中，dsp器件取得了飞速的发 展，成为集成电路屮继微处理器和微控制器z后，又一个引人注目的产 品。目前，对dsp爆炸性需求的时代已

44、经来临前景十分可观。据资料统 计，在众多dsp应用领域中，使用最多的dsp产品是美国ti （德州仪器）公司 的tms320系列dsp,其次是lucent及ad公司的dsp产品。本文采用的数字信号处理芯片是美国ti （德州仪器）公司生产的 tms320lf2407 dsp号处理器。tms320系列包括:定点、浮点、多处理器数字信号处理器和定点dsp控 制器。tms320系列包括下列产品线:'c2x,' c2xx,' c5x,' c54x、和'c6x定 点dsp； 'c3x和'c4x浮点dsp以及'c8x多处理器dsp.' f

45、240x是'c/f2xxx 定点dsp中的一种。2.2 dsp基本结构、特点及应用为了快速地实现数字信号处理运算，dsp芯片一般都采用了特殊的软 硕件结构。这些特殊结构包括：哈佛结构：哈佛结构是不同于传统的冯诺曼（von neuman）结构的并 行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程 序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址， 独立访问。与两个存储器相对应的是系统屮设置了程序总线和数据总线两 条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺曼结构则是将指令、 数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址 来区分是指令、数据

46、还是地址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据 吞吐率低。在哈佛结构屮，由于程序和数据存储器在两个分开的空间屮，因此取 指和执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，tms320 系列dsp芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程 序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指 令存储在高速缓冲器（cache）中，当执行此指令吋，不需要再从存储器 屮读取指令，节约了一个指令周期的时间。女ntms320c30具有64个字的 cache o（2）流水线技术:与哈佛结构相关，dsp芯片广泛采用流水线以减少指令执 行时间，从而增强了处理器的处理能力。tms3

47、20系列处理器的流水线深度 从26级不等。第一代tms320处理器采用二级流水线，第二代采用三级 流水线，而第三代则采用四级流水线。也就是说，传感器可以并行处理26 条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。图2. 1所示为一个三级流水 线操作的例子。图2. 1三级流水线操作在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指 令执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态， 每个指令处于不同的阶段。例如，在第n个指令取指吋，前一个指令即第 n-1个指令正在译码，而第n-2个指令则正在执行。一般来说，流水线对 用户是透明的。（3）硕件乘法器:在一般形式的fir滤波器中

48、，乘法是dsp的重要组成部 分。对每个滤波器抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快， dsp处理器的性能就越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加 法来实现的，故需许多个指令周期来完成。相比而言，dsp芯片的特征就 是有一个专用的硬件乘法器。在tms320系列中，由于具有专用的硬件乘 法器，乘法可在一个指令周期内完成。从最早的tms32010实现fir的每 个抽头算法可以看出，滤波器每个抽头需要一条乘法指令mpy：lt;装乘数到t寄存器dm0v;在存储器中移动数据以实现延迟mpy;相乘apac；将乘法结果加到acc中其他三条指令用来将乘数装入到乘法器电路（lt）,移动数据（dww）

49、以 及将乘法结果（存在乘积寄存器p中）加到acc中（apac）o因此，若采 用256抽头的fir滤波器，这四条指令必须重复执行256次，且256次乘 法必须在一个抽样间隔内完成。在典型的通用微处理器中，每个抽头需要 3040个指令周期，而tms32010只需4条指令。如果采用特殊的dsp指令 或釆用tms320c54x等新一代的dsp芯片,可进一步降低fir抽头的计算 吋间。(4) 特殊的dsp指令:dsp芯片的另一个特征是采用特殊的指令。2. 2.3节 中介绍的dmov就是一个特殊的dsp指令，它完成数据移位功能。在数字 信号处理中，延迟操作非常重要，这个延迟就是由dmov来实现的。 tms

50、32010中的另一个特殊指令是ltd,它在一个指令周期内完成lt、dmov 和apac三条指令。ltd和mpy指令可以将ftr滤波器抽头计算从4条指令 降为2条指令。在第二代处理器中，如tms320c25,增加了 2条更特殊的 指令，即rpt和macd指令，采用这2条特殊指令，可以进一步将每个抽 头的运算指令数从2条降为1条：rpt 255；重复执行下条指令256次macd； lt,dmov,mpy 及 apac该结构支持分离的程序结构总线和数据空间总线。另有第三类可用空 间，即f0空间，可通过外部总线接口进行访问。为支持对大量外设的选 择，采用了外设总线。外设总线被映射至数据空间，且通过系统

51、模块与数 据总线接口。从而，所有适用于数据空间的指令也适用于所有的外设寄存 器。(5) 快速的指令周期：哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊 的dsp指令再加上集成电路的优化设计，可使dsp芯片的指令周期在200ns 以下。tms320系列处理器的指令周期已经从第一代的200ns降低至现在的 20ns以下。快速的指令周期使得dsp芯片能够实时实现许多dsp应用。数字信号处理系统是以数字信号处理器为基础，因此具有数字处理的 全部优点：(1) 接口方便。dsp系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是 相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统 接口要容易得多。(

52、2) 编程方便。dsp系统中的可编程dsp芯片可使设计人员在开发过程中 灵活方便地对软件进行修改和升级。对srd來说可用软件编程取代些硬件 电路，并且通过修改软件就可以实现不同的控制方式。(3) 定性好。dsp系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较 小，可靠性高。(4) 精度高。16位数字系统可以达到0. 00001的精度。(5) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数 字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。(6) 集成方便。dsp系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集 成。当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理

53、任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用dsp则使成本增加.dsp系统中 的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且dsp系统消耗的功 率也较大。此外，dsp技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试 工具还不尽完善。虽然dsp系统存在着一些缺点，但其突出的优点己经使之在通信、语 音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越 广泛的应用。dsp技术的迅速发展和提高，己经成为决定电子产品更新换 代决定性因素。dsp芯片的应用主要有： 信号处理一如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分 析、卷积、波形产生等； 通信一如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压

54、缩、回波抵消、多 路复用、传真、纠错编码、可视电话等； 语音一如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话 人确认、语咅邮件、语咅存储等； 图形/图像一如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动 画、机器人视觉等； 军事一如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等； 仪器仪表一如频谱分析、函数发牛等； 自动控制一如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等； 医疗一如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等： 家用电器一如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话 /电视等。随着dsp芯片性能价格比的不断提高，可以预见dsp芯片将会在更多的 领域内得到更

55、为广泛的应用。经过多年的发展，dsp产品的应用已扩大到 人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决 定因素。2. 3. dsp芯片的选择目前在dsp市场上有许多著名的芯片公司的dsp产品7,如ti, lucent, ad等，它们在价格、性能及用途等方而往往都有相当大的差别。因此，在 选择dsp芯片时必须从价格、性能以及是否适合在目标系统中使用等儿个 方面进行综合考虑。考虑到美国ti公司的dsp产品在世界dsp市场上占有主导地位，而且在 国内，ti公司有许多的代理商和第三方开发者，他们所提供的ti公司的 dsp产品及开发系统品种较为丰富，因此在本论文中决定选用ti公司的 t

56、ms320系列产品。目前ti公司的tms320系列的dsp主打产品主要有以下三类： tms320c2000, tms320c5000及tms320c6000。这三类中的dsp各自的价格及 应用范围都不同，具体选择哪一款dsp,还得从它们的用途及价格方面进 行综合考虑。tms320c2000的dsp价格较低，速度为30mips左右， tms320c2000系列dsp般应用于控制领域，可以替代老的clx和c2x型号的 dspo现在tms320c2000系列dsp的应用主要集中在以下两个方面8：(1 ) c20xo c20x 是 16bit 定点 dsp 芯片，速度为20mtps40mips (mi

57、llion instructions persecond,每秒执行百万次指令),片内 ram 比较少，如c204片内只有512字节的daramo有些型号的c20x dsp芯片屮 带有闪速存储器(flash memory),如f206就带有32kx16bit的闪速存储 器。c20x的主要应用范围为数字电话、数码相机、自动售货机等。(2) c24xo c24x是16bit定点dsp,速度为20.mips, 一般用于数字马达控 制、工业自动化、电力交换系统、变频设备、空调等设备。为了在有限的 空间里提高数字控制设各的性能，tt公司最近推出了tms320lf2401a、 tms320lf2403a和t

58、ms320lc2402a这3款新型 c24xx dsp。这3款新型 c24xx dsp降低了业界的原始设各生产商(oem)的系统成本，进一步实现了系统 的小型化、智能化，使产品设计更趋完善。ti公司的tms320lf2410a dsp是将速度为40mips的dsp内核、闪速 存储器以及外设集成到器件屮，其封装尺寸不超过一个隐形眼镜片的大 小，主要用于对实时性有严格要求的场合。而tms320lf2410a dsp高度的 系统集成和较小的封装体积，有助于oem厂商快速地将产品推向市场。tt公司的tms320lf2403a、tms320lc2402a主要针对有更人ram需求而 设计。tms320lf2403a dsp控制器内部集成了 16kx16bit闪速存储器、1k x16bit ram、8通道的lobitadc、事件管理器，具有can2. 0b协议的can 总线控制器、spi总线接口及21个gpi / 0被全部封装到一只64个引脚的10 xiomm芯片屮。tms320lc2402a dsp 是与tms320lf2403a dsp 处理器引脚 兼容的处理器，其内部集成了能替代闪速存储器的6kx16bitr0m存储器， 生产成本较低。上述几种新产品都是基于tt公司