基于DSP的三相异步电机控制设计.docx

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基于DSP的三相异步电机控制设计

基于DSP的三相异步电机变频调速控制器设计

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1.要求：

系统输入直流电，输出三相交流电，以控制三相异步电机。

2.概要：

电机节能问题一直是广大学者研究的热点，在电机节能技术中最受瞩目的是

变频调速技术。

本文研究一种基于数字信号处理器（DSP）的三相异步电动机变频

调速系统。

论文首先阐述三相异步电动机的脉宽调制技术和矢量控制原理。

脉宽调制技术中重点分析正弦波脉宽调制技术（SPWM）和电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）的基本原理和控制算法。

矢量控制思想是将异步电机模拟成直流电机，通过坐标变换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量，实现磁通和转矩的解耦控制。

论文用Matlab/Simulink软件对三相异步电动机矢量控制系统进行仿真研究，并在此基础上对矢量控制变频调速系统进行硬件和软件设计。

在硬件设计方面，系统以TI公司的TMS320LF2407ADSP芯片为控制电路核心，以三菱公司智能功率模块（IPM）PM25RSB-120为主电路核心，对三相交流整流滤波电路、IPM驱动和保护电路、相电流检测电路、转速检测电路、显示电路以及DSP与PC机通信电路等模块进行设计。

在软件设计方面，本文用汇编语言编写基于TMS320LF2407ADSP的三相异步电动机矢量控制程序，整个矢量控制程序由主程序和中断服务子程序组成。

最后构建三相异步电动机变频调速实验装置，在该装置上进行变频调速实验研究。

实验结果表明用SVPWM技术和矢量控制技术可以成功实现三相异步电动机变频调速功能。

采用矢量控制技术后，系统稳态精度高，动态调节时间短、超调量小、抗扰能力强。

该变频调速系统的研究与设计为今后开发更高性能的变频调速系统创造了条件。

3.元件及介绍

3.1DSP

DSP全称是：

DigitalSignalProcessing，即数字信号处理的理论和方法。

DSP也可以理解为：

DigitalSignalProcessor，即用于数字信号处理的可编程微处理器。

DSP技术：

DigitalSignalProcess，即是利用专门或通用数字信号处理芯片，通过数字计算的方法对信号进行处理的方法与技术。

3.2电源

本系统采用24V直流电源，通过逆变电路，将直流电变成三相交流电，进而控制三相异步电机。

3.3电机

电机型号及相关参数：

YS50-4.40W.36/24V/SI/，2.45A.1400r/min

4.硬件接线图：

4.1总结构框图

注：

系统总图见附录

4.2主电路

4.3驱动电路

4.3.1驱动电路

4.3.2电流取样电路（2272）

4.3.3REF连接（431）

4.4电源

4.5485通讯

4.6CAN总线

4.7X25040

4.8译码器（74HC138）

4.9锁存器（74HC273）

4.10键盘显示电路

4.11DSP

5.相关芯片介绍:

5.1DSP（TMS320LF240xA）

5.1.1芯片特点概述

TI公司的TMS320LF2407A芯片作为DSP控制器24x系列的新成员，是平台下的一种定点DSP芯片。

LF2407A芯片提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力，对电机的数字化控制非常有用。

几种先进外设被集成到该芯片内，以形成真正的单芯片控制器。

在与现存24xDSP控制器芯片代码兼容的同时，LF2407A芯片具有处理性能更好（40MIPS）、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等特点，是电机数字化控制的升级产品。

TMS320LF240xDSP有以下一些特点：

采用哈佛结构。

哈佛结构是不同于传统的冯-诺依曼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。

而冯一诺依曼结构则是将指令、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。

在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指令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，

TMS320DSP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中，当执行指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间；流水技术。

计算机执行一条指令时，总要经过取指、译码、取数、执行运算等步骤，需要若干个指令周期才能完成。

流水技术是将各指令的各个步骤重叠起来执行，而不是一条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令。

即第一条指令译码时，第二条指令取指;第一条指令取数时，第二条指令译码，第三条指令取指……依次类推，实用流水技术后，尽管每一条指令的执行仍然要经过这些步骤，需要同样的指令数，但将一个指令段综合起来看，其中的每一条指令的执行就都是一个指令周期内完成。

DSP处理器所采用的将程序存储空间和数据存储空间的地址和数据总线分开的哈佛结构，为采用流水技术提供了很大的方便；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（40MHZ），从而提高了控制器的实时控制能力；基于TMS320C2xxDSP的CPU核，保证了TMS320LF240x系列DSP代码和TMS320系列代码兼容；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（DARAM）和2K字的单口RAM（SARAM）；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；可扩展的外部存储器（LF2407）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；看门狗定时器模块（WDT）；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；控制器局域网络（CAN）2.0B模块；串行通信接口（SCI）模块；16位的串行外设（SPI）接口模块；基于锁相环的时钟发生器；高达40个可单独编程或复用通用输入/输出引脚（GPIO）；5个外部中断（两个电极驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）；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。

5.1.2SY-MCK2407A（V3.0）功能框图

5.2IR2132

5.2.1IR2132驱动芯片的特点

IR2132可以用来驱动工作在母线电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA。

它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便地用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可以用于高压系统，它还可以对同一桥臂上下两个功率器件的门极驱动信号产生O．8μs互锁延时时间。

它自身工作和电源电压的范围较宽（3～20V），在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及CMOS电平兼容。

IR2132管脚如图3.2.1所示。

VBl～VB3是悬浮电源接地端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，VSl～VS3是其对应的悬浮电源地端。

HINl～HIN3，LINl～LIN3是逆变器上桥臂和下桥臂的驱动信号输入端，低电平有效。

ITRIP是过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。

CA一，CA0，VSO是内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完成电流信号检测。

H01～H03，L01～L03是逆变器上下桥臂功率开关器件驱动信号输出端。

FAULT是过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。

它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。

VCC，VSS是芯片供电电源连接端，VCC接正电源，而VSS接电源地。

5.2.2IR2132内部结构及其工作原理

IR2132的内部结构如图2所示，它的内部集成有1个电流比较器（CurrentComparator）、1个电流放大器（CurrentAmp）、1个自身工作电源欠电压检测器（UnderVoltageDetector）、1个故障处理单元（FaultLogic）及1个清除封锁逻辑单元（ClearLogic）。

除上述外，它内部还集成有3个输入信号处理器（InputSignalGenerator）、2个脉冲处理和电平移位器（PulseGeneratorLevelShifter）、3个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器（Latch）、3个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器（UnderVoltageDetector）及6个低输出阻抗MOS功率管驱动器（Driver）和1个或门电路。

5.3485通讯

RS485和RS232的基本的通讯机理是一致的，他的优点在于弥补了RS232通讯距离短，不能进行多台设备同时进行联网管理的缺点。

计算机通过RS232RS485转换器，依次连接多台485设备（门禁控制器），采用轮询的方式，对总线上的设备轮流进行通讯。

接线标示是485+485-，分别对应链接设备（控制器）的485+485-。

通讯距离：

最远的设备（控制器）到计算机的连线理论上的距离是1200米，建议客户控制在800米以内，能控制在300米以内效果最好。

如果距离超长，可以选购485中继器（延长器）（请向专业的转换器生产公司购买，中继器的放置位置是在总线中间还是开始，请参考相关厂家的说明书。

）选购中继器理论上可以延长到3000米。

负载数量：

即一条485总线可以带多少台设备（控制器），这个取决于控制器的通讯芯片和485转换器的通讯芯片的选型，一般有32台，64台，128台，256台几种选择，这个是理论的数字，实际应用时，根据现