畢業(yè)設(shè)計論文-(伺服電機(jī)）SVPWM 在BLDC電機(jī)中的應(yīng)用

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1、畢業(yè)設(shè)計論文-(伺服電機(jī)）SVPWM 在BLDC電機(jī)中的應(yīng)用 南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目： SVPWM 在BLDC電機(jī)中的應(yīng)用 專 業(yè)： 自動化（數(shù)控技術(shù)） 班 級： XXXXX 學(xué) 號： XXXXXX 學(xué)生姓名： XXXX 指導(dǎo)教師： XXX 講 師 起迄日期： 2012.2～2012.6 設(shè)計地點(diǎn)： 實(shí)驗樓 _ Graduati

2、on Design Thesis SVPWM in The Application of BLDC Motor By ZHU Xiang Supervised by TENG Fu Lin School of Automation Nanjing Institute of Technology June, 2012 摘 要 隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，人們對電機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求越來越高。矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等先進(jìn)的控制理論不斷提出，而微處理器和控制器的更新?lián)Q代特別是數(shù)字信號處理（DSP）（SVPWM）DSP、智能化的功率模塊和先進(jìn)的SVPWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)永磁無刷直流電機(jī)的

3、開環(huán)調(diào)速。介紹了基于DSP的硬件控制平臺的組成部分。重點(diǎn)分析了SVPWM技術(shù)原理、產(chǎn)生PWM波的控制算法和程序的實(shí)現(xiàn)，最后在DSP控制平臺上對其控制性能進(jìn)行了驗證。 本論文所有的硬件電路設(shè)計和程序編寫基于TMS320F2806建立的數(shù)字控制系統(tǒng)。硬件電路中的電源電路，單片DSP最小系統(tǒng)電路等主要部分都是經(jīng)過實(shí)際的焊制和調(diào)試。軟件設(shè)計中的SVPWM程序主要采用C語言套用格式，使用CCS（C2000）DSP控制平臺上進(jìn)行了實(shí)際調(diào)試和驗證。 關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器；空間矢量PWM；逆變器 ABSTRACT Along with the development of industrial

4、automation, people on the motor control system performance demand more and more. Vector control, direct torque control and other advanced control theories have been put forward, and the microprocessor controller and the update especially digital signal processor DSP appear, makes theory into pract

5、ice. Intelligent power module and space vector pulse width modulation SVPWM technology appear, greatly improved the motor control performance. This paper focuses on the function of the powerful DSP, intelligent power module and advanced SVPWM technology to achieve permanent brushless dc motor of

6、the open loop control. Introduces the hardware platform based on DSP control of the component. Analyses the SVPWM technology principle, produce PWM waves of the control algorithm and the realization of the program, and the last in the DSP control platform on the control performance is validated. Th

7、is paper all the hardware circuit design and programming TMS320F2806 based on a digital control system. Hardware circuit of the power supply circuit, monolithic DSP minimum system such as the main part of the circuit is after the actual soldering and debugging. The software design of SVPWM procedure

8、 mainly using C language to format, using CCS C2000 compiled environment in DSP control platform on the actual commissioning and validation. Key words： DSP；Space vector PWM；inverter 1.1 引言 1 1.2 選題背景 1 1.3 課題研究意義 2 1.4 研究內(nèi)容 2 1.5 本文的結(jié)構(gòu) 2 2.1 24V直流無刷電機(jī)調(diào)速控制 4 2.2 幾種PWM輸出方法的比較 4 2.3 SVPWM生

9、成原理 4 3.1 扇區(qū)的判斷 7 3.2 相鄰兩矢量的開關(guān)作用時間 7 3.3 切換順序 9 3.4 SVPWM的調(diào)速 10 3.5 SVPWM波的死區(qū)控制 10 第四章 支持SVPWM發(fā)生器的硬件電路 114.1 DSP微處理器 11 4.2 DSP基本外圍電路的設(shè)計 12 4.3功率驅(qū)動電路 14.4 SVPWM產(chǎn)生的硬件基礎(chǔ) 1第五章 SVPWM的軟件設(shè)計 15.1定點(diǎn)DSP的Q格式 15.2 SVPWM控制參數(shù)的Q格式及代碼實(shí)現(xiàn) 15.3 SVPWM程序流程圖 第六章 結(jié)論 23 Space Vector Pulse Width Modulation ，即電壓空間

10、矢量脈寬調(diào)制，SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的六個功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。隨著電壓型逆變器在高性能電力電子器件的廣泛應(yīng)用,脈寬調(diào)制 PWM 控制技術(shù)作為這些系統(tǒng)的核心技術(shù),引起了高度重視。到目前為止,從電源角度出發(fā)的SPWM 技術(shù),在各種應(yīng)用場合占主導(dǎo)地位。從電機(jī)角度出發(fā)的空間矢量調(diào)制 SVPWM 技術(shù)由于控制簡單、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn),目前已有替代傳統(tǒng)SPWM的趨勢?？臻g電壓矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM不同，它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，目標(biāo)在于使電機(jī)獲得理想圓形磁鏈軌跡。SVPWM

11、技術(shù)與SPWM相比較，繞組電流波形的諧波成分小，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動降低，旋轉(zhuǎn)磁場更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，在線性調(diào)制區(qū)域,它的電壓利用率SPWM高達(dá)15.47%。在非線性調(diào)制區(qū)域,通過采取過調(diào)制策略,能夠保證其線性調(diào)制并能進(jìn)一步提高其電壓利用率[2]。 1.2 選題背景 交流調(diào)速技術(shù)最常用的方法是變頻調(diào)速，通常是通過改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)的速度控制。早期的變頻系統(tǒng)都是采用開環(huán)恒壓頻比 UF恒定 的控制方式，其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡單，成本較低；但是，其控制系統(tǒng)性能不高，利用率低，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢。因此這種控制方式僅適應(yīng)控制性能要求不高的場合。上世紀(jì)70年代，德國的F.Bl

12、aschke提出了矢量控制理論，開創(chuàng)了交流電動機(jī)等效直流電動機(jī)控制的先河，使交流電動機(jī)調(diào)速后的機(jī)械特性以及動態(tài)性能都達(dá)到了與直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速性能不相上下的程度。1985年，德困魯爾大學(xué)的Depenbroch教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論 DTC ，它是采用空間矢量的分析方法，把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量水控制，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。 矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制雖然都能達(dá)到極高的控制性能，但是矢量控制需要的參數(shù)較多，算法代碼龐大，直接轉(zhuǎn)矩控制低速性能不佳，設(shè)備要求精良等原因，使得它們在工業(yè)中特別是像中國這樣的發(fā)展中國家工業(yè)中還沒有得到很好的應(yīng)用。隨著帶有實(shí)時信號處理器的電機(jī)控制器件如DSP和和集成度

13、很高的智能功率模塊IPM的出現(xiàn)，以及SVPWM控制技術(shù)的不斷完善和創(chuàng)新，矢量控制將在不久的將來占據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的主導(dǎo)地位。1.3 課題研究意義 國內(nèi)交流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等行業(yè)已經(jīng)開始了大量應(yīng)用。市場上具有自主知識產(chǎn)權(quán)的民族品牌也如雨后春筍般發(fā)展起來。但是這些新興的伺服驅(qū)動器生產(chǎn)商都面臨同一個問題：交流伺服電機(jī)的高成本如何面對步進(jìn)電機(jī)價格優(yōu)勢的沖擊。同時，在實(shí)際應(yīng)用中，如果想使用交流伺服系統(tǒng)來代替步進(jìn)驅(qū)動，那么步進(jìn)驅(qū)動中一些有用的成分是否仍然可以保存下來，例如低壓開關(guān)電源。但是，由于不具備伺服電機(jī)的自主產(chǎn)權(quán)，需要購置伺服電機(jī)，而國內(nèi)市場根本采購不到小功率的低壓伺服電機(jī)。所以，從成本和課題

14、難度考慮，本文后期研究采用了BLDC電機(jī)代替低壓交流伺服電機(jī)，而小功率低壓BLDC電機(jī)是很成熟的產(chǎn)品。傳統(tǒng)BLDC電機(jī)采用6扇區(qū)磁鏈控制，低速性能有待提高，所以本課題中仍然采用SVPWM來實(shí)現(xiàn)BLDC控制。針對上述背景與條件，本課題以環(huán)的恒壓頻比控制系統(tǒng)為例，講述如何用功能強(qiáng)大的信號處理器DSP、智能化的IPM模塊和興的SVPWM技術(shù)去實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)。并從實(shí)際應(yīng)用角度考慮，在安全性、實(shí)用性、降低成本方而進(jìn)行了相關(guān)的研究。 本課題所要研究的主要內(nèi)容包括： 1 基于DSP和IPM的交流調(diào)速控制平臺的設(shè)計。系統(tǒng)以TMS320F2806為中央處理器設(shè)計控制電路，主要包括DSP基本外圍電路設(shè)計，

15、智能功率模塊PM50RSAl20組成的交-直-交電壓源型逆變器設(shè)計驅(qū)動電路。并對實(shí)際應(yīng)用時的安全可靠性電路進(jìn)行了設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。 2 SVPWM控制技術(shù)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)介紹了SVPWM波產(chǎn)生的控制原理，控制算法，控制算法以及軟件流程的實(shí)現(xiàn)。 第二章 SVPWM生成原理 2.1 24V直流無刷電機(jī)調(diào)速控制原理 三相永磁無刷直流電動機(jī)和一般的永磁有刷直流電動機(jī)相比，在結(jié)構(gòu)上有很多相近或相似之處，用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動機(jī)的定子磁極，用具有三相繞組的定子取代電樞，用逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器組成的電子換向器取代有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換向器和電刷，就得到了三相永磁無刷直流電動機(jī)。 直流無

16、刷電機(jī)調(diào)速的原理就在驅(qū)動電動機(jī)的基礎(chǔ)上將驅(qū)動電流由PWM信號來控制，改變PWM信號的脈沖寬度，即通過調(diào)節(jié)MOSFET通斷時間來調(diào)節(jié)提供給電機(jī)三項電流大小，從而對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。 2.2 幾種PWM輸出方法的比較 PWM（Pulse Width Moddulation）晶閘管工作在開關(guān)狀態(tài)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機(jī)上晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機(jī)斷開這樣通過改變晶閘管的導(dǎo)通時間（即調(diào)占空比ton就可以調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，從而進(jìn)行調(diào)速。對比于SVPWM的產(chǎn)生原理可知，SVPWM本身的產(chǎn)生原理與PWM沒有任何關(guān)系，只是形似SPWM，正弦波脈寬調(diào)制，將正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲線

17、與橫軸所包圍的面積用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來替代。三角波載波信號Ut與一組三相對稱的正弦參考電壓信號Ura、Urb、Urc比較后，產(chǎn)生的SPWM脈沖序列波Uda、Udb、Udc作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。逆變器輸出電壓的基波正是調(diào)制時所要求的正弦波，調(diào)節(jié)正弦波參考信號的幅值和頻率就可以調(diào)節(jié)SPWM逆變器輸出電壓的幅值和頻率。 ? SVPWM與SPWM的原理和來源有很大不同。SPWM由三角波與正弦波調(diào)制而成，SVPWM卻可以看作由三角波與有一定三次諧波含量的正弦基波調(diào)制而成。而SVPWM的電壓母線利用率要比SPWM高15.47%，因此采用SVPWM對直流無刷電機(jī)進(jìn)行控制。

18、SVPWM產(chǎn)生原理 空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM的英文全稱為Space Vector Pulse Width Modulation，實(shí)際上對應(yīng)于永磁同步感應(yīng)電機(jī)中的三相電壓源逆變電器的功率器件的一種特殊的開關(guān)出發(fā)順序和脈寬大小的組合，這種開關(guān)出發(fā)順序和組合將在定子線圈中產(chǎn)生三相互差120°電角度的波形失真較小的正弦波電流。 本設(shè)計著重于SVPWM在直流無刷電機(jī)中的應(yīng)用。 圖2.1 三相電源逆變器結(jié)構(gòu) 2.1是電壓源型PWM逆變器示意圖，它的三個橋臂的六個功率開關(guān)器件一共有八種開關(guān)模式。用Sa、Sb、Sc1，下橋臂器件的橋臂狀態(tài)為0。那么，逆變器的八種開關(guān)模式對應(yīng)八個電壓空間矢量[9]。

19、對應(yīng)于不同狀態(tài)時輸出給電機(jī)的相、線電壓對應(yīng)值（相對應(yīng)于直流電壓UDC）如表2.1所示。 表2.1 功率晶體管的開關(guān)狀態(tài)和與之對應(yīng)的輸出線電壓和相電壓的關(guān)系表 b c Va VDC Vb VDC Vc VDC Vab VDC Vbc VDC Vca VDC 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1 1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 1 1 0 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1 1 0 1 1

20、/3 -2/3 1/3 1 -1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 表中Va、Vb、Vc3個輸出的相電壓，Vab、Vbc、Vca3個輸出的線電壓。 在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中需要將定子三相坐標(biāo)系（A、B、C）（α、β）α、βα Va （2-1） Vsβ （2Vb+Va）/（2-）用矩陣表示為： 在8個空間矢量中000,111這兩種開關(guān)狀態(tài)在電機(jī)驅(qū)動中都不會產(chǎn)生有效電流，因此稱其為0矢量另外6中開關(guān)狀態(tài)分別是六個有效矢量。這六個有效矢量將360°的電壓空間分為60度的一個扇區(qū)，一共六個扇區(qū)

21、。利用這六個有效矢量和兩個零矢量，可以合成360°內(nèi)的任何矢量圖2.2為逆變器的八個電壓矢量的空間分布 圖2.2空間電壓矢量 SVPWM的基本原理就是用若干個開關(guān)電壓矢量去近似等效給定的參考電壓矢量，用六個基本的電壓矢量去合成更多的有效矢量從而形成N邊形磁鏈等效接近于圓形磁鏈[12]。一個周期內(nèi)合成的有效矢量越多，說明采樣頻率越高，實(shí)際生成的波形也就越接近于正弦波。 SVPWM波就必須做以下幾件事：判斷Uout的所在扇區(qū)；計算相鄰兩開關(guān)電壓矢量的時間；確定開關(guān)順序[13]。 3.1 扇區(qū)的判斷 給定一個Uout，如果要計算它的導(dǎo)通時間和它的開關(guān)順序，就先得計算出Uout所在的扇區(qū)。

22、其中Uout可以分解到定子兩相坐標(biāo)系（α、β） （3-1） 再定義3個變量，a、b、cVref1 0,則a 1，否則a 0；如果Vref2 0,則b 1，否則b 0；如果Vref3 0,則c 1，否則c 0。設(shè)N 4*c+2*b+a，則N與扇區(qū)數(shù)sector的對應(yīng)關(guān)系如表3.1所示。 表3.1 N與扇區(qū)數(shù)sector的對應(yīng)關(guān)系表 N 1 2 3 4 5 6 sector 1 5 0 3 2 4 第0扇區(qū)為基本空間矢量U0、U601扇區(qū)為基本空間矢量U60、U1205扇區(qū)為基本空間矢量U300、U360α、βV

23、sα、Vsβα、β在圖3.1所示的情況中參考電壓矢量Uout位于被基本空間矢量U0，U60所包圍的扇區(qū)中，因此Uout可以用U0和U60兩個矢量來表示。于是有如下等式成立： （3-2） 在式中T1和T2分別是在周期時間T中基本空間矢量U0、U60各自的作用時間，T0是0矢量的作用時間。分解Uout到α-β軸則有： （3-3） 圖3.1 Uout和Ualfa、Ubeta以及U0、U60的對應(yīng)關(guān)系圖 所有的基本空間矢量的幅值都為2VDC/3，如果它們?nèi)∠鄬τ谧畲蟮南嚯妷篤DC/ 最大的線電壓為VDC，

24、則最大的相電壓為VDC/ 的標(biāo)幺值，則空間矢量的幅值變成2/,即經(jīng)過歸一化后的空間矢量的幅值為帶入式則有： T1 （3-4） T2 TUbeta （3-5） 在以上的兩式當(dāng)中Ualfa和Ubeta表示矢量Uout相對于最大的相電壓VDC/歸一化后（即取標(biāo)幺值）后的（α、β）軸分量，T0 T-T1-T2是零矢量的作用時間。取T1、T2與周期T的相對值有一下等式： t1 t2

25、 （3-7） 同理，如果Uout位于被基本空間矢量U60、U120所包圍的扇區(qū)中，，矢量作用時間的相對值可以表示為： t1 t2 （3-9） 在等式中T3是空間矢量U120在周期T中的作用時間。如果定義X、Y和Z三個變量并分別給其賦值如下式： X Ubeta （3-10）

26、 Y （3-11） Z （3-12） 當(dāng)矢量Uout位于被基本空間矢量U0、U60所包圍的扇區(qū)（即扇區(qū)0），則有t1 -Z，t2 X；當(dāng)矢量Uout位于被基本空間矢量U60，U120所包圍的扇區(qū)（即扇區(qū)1），則t1 Z，t2 Y。同樣的，當(dāng)Uout位于被其他的空間矢量所包含的扇區(qū)中時，相應(yīng)的t1和t2也可以用X、Y或Z表示，對應(yīng)的關(guān)系如表3.2所示。 表3.2 t1、t2與X、Y和Z的對應(yīng)關(guān)系表 扇 區(qū) U0

27、、U60 U60、U120 U120、U180 U180、U240 U240、U300 U300、U360 t1 -Z Z X -X -Y Y t2 X Y -Y Z -Z -X 3.3 切換順序 利用TI公司的TMS320F2806 DSP芯片產(chǎn)生SVPWM波比較容易，因為每個EV模塊中都有對稱空間矢量PWM波產(chǎn)生的內(nèi)置硬件電路。只要基本空間矢量的開關(guān)時間確定，零矢量會根據(jù)每個周期始終有一個橋臂關(guān)斷或?qū)ǖ脑瓌t自動添加到PWM周期中。所以其開關(guān)順（在0-60范圍內(nèi)）。 圖3.2 一個橋臂始終導(dǎo)通的開關(guān)切換順序 圖3.3 一個橋臂始終關(guān)斷的開關(guān)切換順序 SVPWM的調(diào)速 在圖2

28、.1中，DSP將6路PWM信號送給逆變器三個橋臂的六個功率開關(guān)器件，由此產(chǎn)生八種不同的開關(guān)狀態(tài)輸出給直流無刷電機(jī)。本小節(jié)以第一扇區(qū)為例即Uout被U0、U603.2所示。 SVPWM的調(diào)速時通過加入PWM1、PWM2和PWM3（分別對應(yīng)是a、b和c三種狀態(tài)）三路信號，一個PWM周期T內(nèi)表示的是U0的作用時間，表示的是U60的作用時間，表示零矢量的作用時間。是一個固定的值（SVPWM的調(diào)制周期），而在60°的范圍內(nèi)Uout的方向是不斷改變的，要想得到圓形磁鏈Uout的作用長度是保持不變的，因此1、2、0的作用時間也是不斷變化的，所以0矢量的作用時間是不斷變化的可長可短從而達(dá)到了調(diào)速的目的。

29、PWM波的死區(qū)控制 如圖2.1所示，在功率晶體管a導(dǎo)通時，當(dāng)a切換開關(guān)狀態(tài)由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，a’由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通時，若在a管關(guān)斷的瞬間功率晶體管a’導(dǎo)通，即a管和a’兩根功率晶體管同時導(dǎo)通，從而發(fā)生電源短路的現(xiàn)象，導(dǎo)致電源燒毀，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，我們在a管關(guān)斷的時候，提前將其關(guān)斷，并且同時在a’管導(dǎo)通時將其延遲導(dǎo)通，從而避免兩根管子同時導(dǎo)通燒毀電源的現(xiàn)象發(fā)生。同理，另外橋臂的4個功率晶體管也相應(yīng)的采取該方法阻止這樣的現(xiàn)象發(fā)生。本設(shè)計采用的TMS320F2806 DSP芯片具有可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖從而很方便的直接通過軟件實(shí)際對PWM波進(jìn)行死區(qū)控制[]。 DS

30、P微處理器 DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接，轉(zhuǎn)換為0或1。再對數(shù)字信號，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度是DSP兩大特色[15]。TMS320F2806是TI公司專門為電機(jī)控制的DSP芯片，它除了具有TMS320系列DSP的基本功能外還具有一下特點(diǎn)： （1）采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗；25ns

31、（40MIPS處理能力）的時鐘周期極大提高了控制器的實(shí)時控制能力； （2）片內(nèi)有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲器；高達(dá)2.5K字的16位的數(shù)據(jù)/程序RAM；544字雙端口RAM（DARAM）；2K字的單口RAM（SARAM）。 （3）兩個事件管理器EVA和EVB，每個模塊都包含以下資源：兩個16用定時器；8個16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道，可以實(shí)現(xiàn)三相反相器控制；PWM的中心或邊緣校正及當(dāng)外部引腳出現(xiàn)低電平時快速關(guān)閉PWM通道；可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖；3個捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路。 （4）可擴(kuò)展的外部存儲器總共有192K字空間，分別為64K的程序存

32、儲空間、64K字的數(shù)據(jù)存儲空間和64K字的I/O空間。 （）片內(nèi)集成的看門狗定時器可以防止由于意外情況而造成程序運(yùn)行的死循環(huán)5個外部中斷（2個驅(qū)動保護(hù)、1個復(fù)位和兩個可屏蔽中斷）。 （）串行通信接口（SCI）模塊；16位串行外部設(shè)備接口（SPI）模塊；時鐘；高達(dá)40個可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳；電源管理，具有3種低功耗模式，能獨(dú)立地將外圍器件轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。 由以上特點(diǎn)可以看出TMS320F2806事件管理器模塊集成了電機(jī)控制常用的外圍電路，便利的SCI、充足的I/O通道，40MIPS的執(zhí)行速度，非常適用于電機(jī)控制。4.2 DSP基本外圍電路設(shè)計 外圍電路是用來保證D

33、SP正常運(yùn)行所必須的電路單元，它主要包括電源電路，時鐘和鎖相環(huán)濾波電路，復(fù)位電路等[14]。以下對它們逐一進(jìn)行介紹。 電源電路 電源電路的選擇是硬件系統(tǒng)設(shè)計的一個重要部分，設(shè)計的好壞對系統(tǒng)影響很大。對于DSP芯片而言，一般有以下4種電壓需要電源電路提供： DSP內(nèi)核電壓?，F(xiàn)代DSP為了省電，通常把內(nèi)核電壓和外圍電路的供電分開，內(nèi)核工作于低電壓以減少功耗。 DSP外設(shè)電壓。主要給DSP的片內(nèi)外設(shè)供電。 Flash編程電壓。 模擬電路電壓。為了減少電源噪聲和互相干擾，數(shù)字電路和模擬電路一般要獨(dú)立供電。 對于芯片的選擇通常要考 時鐘電路 首先要明確的如何選用系統(tǒng)時鐘電路?這可以從系

34、統(tǒng)所需時鐘信號的電氣指標(biāo)明。系統(tǒng)時鐘的選擇主要考慮因素有： 1 頻率。系統(tǒng)需要多大的頻率，即系統(tǒng)工作于什么頻率下。 2 信號電平。是5V還是3.3V，是TTL電平還是CMOS電平等。 3 驅(qū)動能力。整個系統(tǒng)有多少芯片需要提供時鐘。 TMS320F2806具有嵌入到內(nèi)部的鎖相環(huán) PLL 電路，可以從一個較低的外部時鐘通過鎖相環(huán)倍頻電路從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部倍頻。本系統(tǒng)采用了一個0MHz的晶體振蕩器 F2806外部時鐘范圍通常為4MHz~20MHz ， 復(fù)位電路 所有微控制器的啟動流程都不通用，由于硬件的復(fù)雜性，必須運(yùn)行一段出廠家定義的短小的“復(fù)位程序”來使硬件處于一種正確的狀態(tài)，然后再開

35、始執(zhí)行用戶程序。運(yùn)行這個復(fù)位程序需要時間并且要求微控制器的振蕩器已經(jīng)運(yùn)行TMS320F2806的復(fù)位信號低電平有效，有效時間間隔應(yīng)滿足≥200ms，復(fù)位電路如圖所示。 TMS320F2806的輸入電壓大約為2V，低于這個輸入電壓被認(rèn)為是低電平，高于這個域值的電壓被認(rèn)為是高電平，這樣復(fù)位操作將延續(xù)到復(fù)位引腳上的電壓升到大約2V。復(fù)位時間計算公式是： t -RCln其中，Vcap的閾值電壓2V，Vcc是+3.3V，經(jīng)上式計算可得復(fù)位時間t 235ms，完全滿足設(shè)計要求。二極管的作用是是為消除按鍵抖動 圖4.1 復(fù)位電路 4.功率驅(qū)動回路是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換、驅(qū)動伺服電機(jī)工作的強(qiáng)電電路，無刷直流電

36、動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率變換器 即主回路 由開關(guān)電路組成，系統(tǒng)運(yùn)行時，功率變換器接受控制電路的指令，將系統(tǒng)的工作電源 直流電源或交流整流電源 轉(zhuǎn)換為無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動電源。功率變換器的設(shè)計包括電路結(jié)構(gòu)選擇和元件定額估算兩方面的內(nèi)容。成功設(shè)計的功率變換器應(yīng)能與電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)相匹配，并且有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行可靠、損耗小、效率高和壽命長等優(yōu)點(diǎn)[11]。 無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率變換器一般可以分為橋式和非橋式兩大類，它與電機(jī)不同的電樞繞組結(jié)構(gòu)可組合成不同的類型，如圖4.2所示。歸納起來可分為以下幾種： 1. 多相 三相及三相以上 星形橋式功率變換器； 2. 多相封閉形橋式功率變換器； 3

37、. 多相星形非橋式功率變換器； 4. 特殊形式功率變換器。 非橋式功率變換器較橋式功率變換器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可靠性高。但從無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行性能和電動機(jī)的電樞繞組利用率著眼，非橋式功率電路不 能滿足無刷直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的要求，基于此，目前無刷直流電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)大多數(shù)都采用橋式逆變結(jié)構(gòu)的功率變換器。 本設(shè)計所用的三相永磁無刷直流電動機(jī)的功率電路主回路是由6只功率開關(guān)MOSFET組成的三相H型橋式逆變電路。三相直流無刷電動機(jī)的功率電路也是電子換相電路，由轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號在每360°電角度內(nèi)給出6個代碼。 圖4.2 功率電路結(jié)構(gòu)圖 由于功率電路直接控制電機(jī)的換相，因此功率開

38、關(guān)的選擇與電機(jī)的參數(shù)與性能緊密相關(guān)。電機(jī)參數(shù)為額定電壓24V，額定功率50W，額定轉(zhuǎn)速3000rpm，三相三對極。并且伺服設(shè)計中都要考慮過載，本課題所設(shè)計的為3倍過載。從無刷直流電機(jī)的工作原理分析得出其對開關(guān)元件的性能要求有： 1. 滿足系統(tǒng)電壓、電流值的要求，并有一定裕量； 2. 盡可能低的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷以后的漏電流，降低系統(tǒng)損耗； 3. 足夠的安全工作區(qū)； 4. 盡可能高的開關(guān)速度和盡可能低的開關(guān)損耗； 5. 盡可能小的驅(qū)動功率； 6. 盡可能簡單的驅(qū)動電路，使開關(guān)元件及驅(qū)動電路的成本盡可能低。 功率MOSFET由于是單極型器件，電流處理能力相對較弱，但由于其在開關(guān)過程中，沒

39、有載流子存儲的建立與抽取，其頻率特性好，常用于高頻低壓領(lǐng)域。而IGBT為Insulated Gate Bipolar Transistor的優(yōu)點(diǎn)在于輸入阻抗高、開關(guān)損耗小、飽和壓降低、通斷速度快、熱穩(wěn)定性能好，耐高壓且承受大電流、驅(qū)動電路簡單。MOSFET與IGBT均能滿足設(shè)計要求，本設(shè)計選用MOSFET。 4.每個TMS320LF2806的事件管理器EV模塊都具有操作十分簡化的對稱空間矢量PWM波形產(chǎn)生的內(nèi)置硬件電路，本節(jié)就是利用這個硬件特點(diǎn)講述產(chǎn)生SVPWM波的寄存器設(shè)置過程。 利用TMS320LF2806產(chǎn)生SVPWM波具體執(zhí)行過程如下： 1 設(shè)置ACTRx，用來定義比較輸出方式

40、。 2 設(shè)置COMCONx寄存器，來使能比較操作和SVPWM模式，并且把CMPRx的重裝入條件設(shè)置為下溢。 3 將通用定時器設(shè)置成連續(xù)增/減記數(shù)模式，并啟動定時器。 4 按給定的Uout判斷扇區(qū)，求出T0、T1、T2 軟件實(shí)現(xiàn) 。 5 將相應(yīng)扇區(qū)的開啟方式寫入到ACTRx的1412位中，并將1寫入ACTRX的15中，或?qū)x+60相應(yīng)扇區(qū)的開啟方式寫入到ACTRx的1412位中，并將寫入ACTRX的15中。 6 將T1/2的值寫入到CMPRl或CMPR4寄存器中，將 Tl+T2 /2的值寫入到CMPR2或CMPR5中。 在電機(jī)控制的應(yīng)用中，PWM電路極大地減少產(chǎn)生PWM波

41、形的CPU開銷和用戶的工作量。與比較單元相關(guān)的PWM電路其PWM波形的產(chǎn)生由以下寄存器控制：對于EVA模塊，TICON、COMCONA、ACTRA和DBTCCONA；對于EVB模塊，T3CON、COMCONB、ACTRB和DBTCONB。 本節(jié)講述SVPWM波軟件計，重點(diǎn)分析應(yīng)用16位定點(diǎn)DSP進(jìn)行參數(shù)的定標(biāo)處理與代碼實(shí)現(xiàn)，并給SVPWM波形實(shí)現(xiàn)的軟件流程。 對于DSP本身而言，它沒有能力處理各種小數(shù)，這就要由程序員來確定小數(shù)點(diǎn)處于16位中的哪一位，這就是數(shù)的定標(biāo)。數(shù)的定標(biāo)通常采用Q表示法，即Qx格式。其中x表示小數(shù)的位數(shù)，15-x表示小數(shù)的位數(shù)，還有一位是符號位。當(dāng)小數(shù)點(diǎn)位于第0位右側(cè)時

42、，為Q0；當(dāng)小數(shù)點(diǎn)位于第15位右側(cè)時，為Q15。表5.1列出了16位有符號數(shù)的定標(biāo)Q表示及其數(shù)值范圍。 表5.1 Q格式及16位有符號數(shù)的數(shù)值范圍 Q表示 十進(jìn)制數(shù)值范圍 Q表示 十進(jìn)制數(shù)值范圍 Q15 -1≤x≤0.9999695 Q7 -256≤x≤255.9921875 Q14 -2≤x≤1.9999390 Q6 -512≤x≤511.9804375 Q13 -4≤x≤3.9998779 Q5 -1024≤x≤1023.96875 Q12 -8≤x≤7.9997559 Q4 -2048≤x≤2047.9375 Q11 -16≤x≤15.9995117 Q3 -4096≤x≤

43、4095.875 Q10 -32≤x≤31.9990234 Q2 -8129≤x≤8191.75 Q9 -64≤x≤63.9980469 Q1 -16384≤x≤16383.5 Q8 -128≤x≤127.9960938 Q0 -32768≤x≤32767 從表5.1可以看出，同樣一個16位數(shù)，如果小數(shù)點(diǎn)設(shè)定的位置不同，它所表示的數(shù)也不同。例如： 十六進(jìn)制數(shù)2000H 8192，用Q0表示； 十六進(jìn)制數(shù)2000H 0.25，用Q15表示； 但對于DSP來說，處理方法是一樣的。簡要介紹Q格式在乘除法方面的優(yōu)勢。 （1）化整數(shù)為小數(shù) 由表5.1可以看出int型變量的Q15格式數(shù)

44、值范圍是一個不超過l的小數(shù)，小數(shù)與小數(shù)乘積仍是小數(shù)，永遠(yuǎn)不可能溢出?？紤]溢出是事件讓程序很頭疼的事情，因此我們將整數(shù)也像小數(shù)一樣處理。設(shè)定在變頻凋速系統(tǒng)中f 50Hz，那么當(dāng)f 20Hz時，我們運(yùn)算結(jié)果是頻率變量f1等于13113，可以發(fā)現(xiàn)20Hz時fl等于1310720.01Hz時fl等于13l13。所以使用Q15格式后以很輕易地分辨出0lHz的精度。 5.2 SVPMW控制參數(shù)的Q格式及代碼實(shí)現(xiàn) 控制部分主要是如何產(chǎn)生SVPWM波，而要產(chǎn)生SVPWM波主要做以下幾件事，計算Ualfa，Ubeta，判斷扇區(qū)，計算時時間等部分。下面將對各個部分所用到的參數(shù)進(jìn)行分析。 （1）確定Kp，計算

45、Ualfa，Ubeta的運(yùn)行參數(shù) Kp是0-1的數(shù)，本設(shè)計定義Kp的初始值為0.7，可以通過改變Kp改變逆變橋輸出的電壓幅值。Ualfa，Ubeta為Uout（實(shí)際用的是標(biāo)幺值）在α軸，β軸的分量計算公式如下： （5-1） 由表5.1可以看出Q15格式范圍為-1≤x≤0.9999695，在這里我們用到了f 50Hz，為了防止溢出，我們將采用Q14格式。實(shí)際上，0.9999695對應(yīng)的頻率是f 49.998475Hz用它代替50Hz可以滿足要求。以下是程序代碼： #define Kp 0.7 Ual

46、fa （long）Kp*cosα 14; Ubeta 1ong Kp*sinα 14; 2 判斷扇區(qū)的運(yùn)行參數(shù) 在判斷扇區(qū)時需要3個參考量Vrefl、Vref2、Vref3，計算公式如下： （5-2） 根據(jù)三個參考量的正負(fù)號，運(yùn)用相關(guān)公式便可以確定為第幾扇區(qū)，下面是分析如何用定標(biāo)格式實(shí)現(xiàn)上述公式。在式5-1）中，出現(xiàn)了除法，將采用如下方法，先把式5-2）改寫為式5-3），26的Q14格式 （5-3） 代碼： int Vref1,Vref2,Vref3; int m

47、8192,n 14189; //26的Q14格式 Vref1 Ubeta; Vref2 - long Ubeta*m+ long Ualfa*n 14; Vref2 - long Ubeta*m- long Ualfa*n 14;（3）時間計算中的運(yùn)行參數(shù) 為了得到送入DSP比較寄存器 CMPR 中的時間數(shù)值，需要以下幾個過程參考量：X、Y、Z、cmpl、cmp2。其中，X、Y、Z的計算公式如下： （5） cmp1,cmp2的計算公式要根據(jù)扇區(qū)確定，例如第一扇區(qū)，則有： （5）

48、 其中Tp為周期寄存器的值，其值等于SVPWM調(diào)制周期的一半。程序中Tp 100，由于送入CMPR的數(shù)值必須為整數(shù)，所以式5-5）中用int來進(jìn)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換。 代碼如下： #define Tp 1200 int cmp1,cmp2; cmp1 y*Tp 14;cmp2 z*Tp 14; //Q0格式 CMPR1 cmp1; CMPR2 cmp2; 5.3 SVPWM程序流程圖 程序流程圖如下所示： 圖5.1 系統(tǒng)控制主程序流程圖5.4 實(shí)驗結(jié)果分析DSP控制平臺 圖5.2 DSP控制平臺圖5.波形 實(shí)驗結(jié)論：根據(jù)Q軸電壓的給定信號的變化，實(shí)際測量SVPWM輸出

49、信號的變化，觀測結(jié)果符合理論分析的結(jié)論，實(shí)驗結(jié)果是正確的。優(yōu)化的空間矢量PWM技術(shù)、先進(jìn)的智能功率模塊 IPM ，加上具有高性能運(yùn)行速度的DSP，進(jìn)一步擴(kuò)大了成熟的變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用。但是在這個科技理論及電子器件日新月異的今天如何應(yīng)用它們?nèi)?shí)現(xiàn)變頻技術(shù)，如何使它們在實(shí)際應(yīng)用中更實(shí)用、更安全、更節(jié)約成本、性價比更高等問題都有待進(jìn)一步解決。本文就是針對這些問題進(jìn)行設(shè)計與研究。主要工作和研究實(shí)驗成果簡述如下。 1 介紹了直流無刷電機(jī)的調(diào)速控制，并且將SVPWM的生成方法與其他幾種PWM輸出方法進(jìn)行了比較突出其優(yōu)點(diǎn)，然后重點(diǎn)講述了SVPWM的生成原理。 2 重點(diǎn)介紹了SVPWM的算

50、法的實(shí)現(xiàn)方法，要判斷其扇區(qū)、開關(guān)作用時間以及開關(guān)管的切換順序。同時還要考慮在兩開關(guān)管切換狀態(tài)時出現(xiàn)的同時導(dǎo)通的問題，對此本設(shè)計提出了死區(qū)控制的方法，并且能夠很好的解決了問題。最后對SVPWM的調(diào)速進(jìn)了簡單的介紹。 介紹了支持SVPWM發(fā)生器的硬件電路。簡要地介紹了DSP芯片，詳細(xì)講述了DSP基本外圍硬件電路設(shè)計過程及設(shè)計過程中應(yīng)考慮的實(shí)際問題。硬件電路中的單片DSP的最小系統(tǒng)、電源電路等部分都經(jīng)過實(shí)際的PCB板制作、焊制和調(diào)試。 介紹了SVPWM的具體軟件設(shè)計的方法，講述了定點(diǎn)DSP的Q格式，SVPWM控制參數(shù)的Q格式及代碼的實(shí)現(xiàn)，最后給出了SVPWM的程序流程圖。 由于學(xué)習(xí)時間有限，本

51、課題在以下方面還可以進(jìn)一步深入研究： 1 應(yīng)用矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等先進(jìn)的控制理論，提高系統(tǒng)控制性能。 2 實(shí)現(xiàn)基于無速度傳感器的變頻調(diào)速系統(tǒng)。 3 實(shí)現(xiàn)基于單片DSP控制多電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 提出了意[1] 工業(yè)出版社，2003.56-78 [2] TI公司.TMS320F/C24X DSP Controllers Reference Guide：CPU and Instruction Set.SPRUl60C,Texas Instruments,2003[3] T1公司.TMS320C240，TMS320F240 DSP Controllers.SPRS042，Texa

52、s Instruments，2003． [4] 劉和平，王維俊，江渝，鄧力.TMS320LF240x DSP C語言開發(fā)應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.3[5] 楊貴杰，孫力，催乃政，等.空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究.中國電機(jī)工程學(xué)報，2001，21 5 .79-83 [6] 胡慶波，呂征宇.一種新穎的基于空間矢量PWM的死區(qū)補(bǔ)償方法.中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25 3 .14-18 [7] 孫丹，賀益康.基于恒定開關(guān)頻率空間矢量調(diào)制的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩制.中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25 12 .112-116 [8] 劉亞東，吳學(xué)智，黃立培.改善直接轉(zhuǎn)矩控制性能的S

53、VPWM方法.清華大學(xué)學(xué)報，2004，44 7 .869―872 [9] 王淑紅，基于SVPWM的三相無刷直流電機(jī)控制策略.自動化博覽，2008,2310 .66 [10] 蘇彥民，李宏.交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略.北京:機(jī)械工業(yè)出版設(shè)，1998.6 [11] 李寧，教育出版社，2004.4 [12] 王成元，：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.8 [13] 大學(xué)出版社，2003.3 [14] :機(jī)械工業(yè)出版社，2002.5 [15] 紀(jì)宗南.DSP實(shí)用技術(shù)和應(yīng)用實(shí)例北京航空工業(yè)出版社，2006.5 附圖1 主芯片及其外圍電路 附圖2 功率電路 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） II 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1