1、- PAGE 10 -畢 業 設 計 題 目：基于DSP的三相異步電機矢量(shling)控制系統 院、 系： 電氣(dinq)工程(gngchng)系 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 2014 年 6 月 10 日 PAGE 24基于DSP的三相交流(jioli)異步電機矢量控制系統 摘 要在科技飛速發展的大環境下，隨著電力電子技術、微處理技術和新的電機控制技術的發展，交流調速的功能性日益提高。變頻調速技術的出現使交流調速系統有取代直流調速系統的趨勢。對于交流變頻調速系統的更高調速精度，更大的調速范圍以及更快的調速響應的要求，交流電機的矢量控制調速系統能夠很好的滿足這個要求。其中矢量控制

2、能夠很好的實現交流電機電磁(dinc)轉矩的快速控制，從而實現更為現代化的生產要求。本文是對三相交流異步電機矢量(shling)控制系統的研究和分析，以高性能數字信號處理器為硬件平臺設計了基于DSP的三相交流異步電機的矢量控制系統。本文介紹了交流調速及其相關技術的發展，變頻調速的方案以及國內外對矢量控制的研究狀況。以三相交流異步電機在三相靜止坐標系下的數學模型為基礎，利用轉子磁場定向的方法，對該模型進行分析，設計了轉子磁鏈觀測器，以實現交流電機電流量的有效解耦，得到定子電流的轉矩分量和勵磁分量。仿照直流電機的控制方法，設計了矢量控制算法的電流與速度雙閉環控制系統。設計了以TMS320LF240

3、7A為主控制器的硬件平臺，在此基礎上實現了矢量控制算法，論述了電壓空間矢量調制的原理和方法，并對其進行了改進。最后針對上述研究進行了仿真和分析。關鍵詞 交流異步電機；矢量控制；數字信號處理器 Field Orientated Control of 3-Phase AD Asynchronous Motor Base on DSPAbstractWith the development of power electronics, micro-processor and new technology of motor control, the performance of AC speed reg

4、ulation system is highly promoted. It seems that DC speed regulation system will be replaced by AC speed regulation system, when variable frequency technology comes out.But the high development of national economy needs higher precision, wider peed-regulating range and faster response of AC variable

5、 frequency speed regulation system, while Field orientated control is suitable for its direct control of induction torque.In this paper, the research and analysis of FOC is done, FOC system is designed based on high-performance digital signal processor. Also, the dead time effort of inverter is anal

6、yzed, dead time compensation is done. In this paper, development and method of variable frequency, the national and international research of FOC are introduced. According to control theory of DC motor, current and speed dual closed loop control system of FOC is worked out. Arithmetic of FOC is buil

7、t on the hardware platform with TMS320LF2407A as main controller. The theory and common methods of space vector pulse width modulation is dissertated, a new improved method of SVPWM is advanced, and the dead time compensation of inverter is carried out.Keywords AC Asynchronous Motor; Field Oriented

8、Control; Digital Signal Processor目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc380851508 摘 要 PAGEREF _Toc380851508 h I HYPERLINK l _Toc380851509 Abstract PAGEREF _Toc380851509 h II HYPERLINK l _Toc380851510 第1章 緒論(xln) PAGEREF _Toc380851510 h 1 HYPERLINK l _Toc380851511 1.1 課題(kt)的背景和意義 PAGEREF _Toc380851511

9、h 1 HYPERLINK l _Toc380851514 1.2 國內外發展(fzhn)現狀 PAGEREF _Toc380851514 h 1 HYPERLINK l _Toc380851515 1.2.1 國內發展現狀 PAGEREF _Toc380851515 h 1 HYPERLINK l _Toc380851516 1.2.2 國外發展現狀3 HYPERLINK l _Toc380851517 1.3 本文主要研究內容3 HYPERLINK l _Toc380851518 第2章 三相異步電機的矢量控制原理5 HYPERLINK l _Toc380851519 2.1 矢量控制的基

10、本原理5 HYPERLINK l _Toc380851523 2.2 矢量控制系統整體框圖6 HYPERLINK l _Toc380851527 2.3 三相異步電機的數學模型6 HYPERLINK l _Toc380851531 2.4 電壓空間矢量調制技術7 2.5 本章小結8 HYPERLINK l _Toc380851532 第3章 三相異步電機矢量控制系統硬件設計9 HYPERLINK l _Toc380851533 3.1 主電路設計9 HYPERLINK l _Toc380851537 3.2 驅動和保護電路設計10 HYPERLINK l _Toc380851541 3.3 檢

11、測電路設計11 HYPERLINK l _Toc380851542 3.3.1 電流檢測電路設計11 HYPERLINK l _Toc380851543 3.3.2 速度檢測電路設計12 HYPERLINK l _Toc380851545 3.4 本章小結12 HYPERLINK l _Toc380851546 第4章 三相異步電機矢量控制系統軟件設計13 HYPERLINK l _Toc380851547 4.1 主程序設計13 HYPERLINK l _Toc380851551 4.2 PWM中斷服務程序設計14 HYPERLINK l _Toc380851555 4.3 功率保護模塊設計

12、14 HYPERLINK l _Toc380851559 4.4 程序抗干擾設計15 4.5 本章小結16 HYPERLINK l _Toc380851560 第5章 實驗裝置的仿真和結果17 HYPERLINK l _Toc380851561 5.1 實驗裝置仿真17 HYPERLINK l _Toc380851565 5.2 實驗結果19 HYPERLINK l _Toc380851573 5.3 本章小結21 HYPERLINK l _Toc380851574 結論22 HYPERLINK l _Toc380851575 致謝23 HYPERLINK l _Toc380851576 參考

13、文獻24緒論(xln)課題(kt)的背景和意義自從電氣化時代開始以來，電動機成為重要的動力來源。起初，直流電機因其控制與調速較交流電機方便，在電動機應用中占十分重要的比例。但是隨著(su zhe)電力電子技術，微處理器技術、控制技術以及PWM等技術的出現和發展，交流電機的調速越來越方便。如今高性能的交流電機調速性能可以和直流電機相媲美。另外由于交流電機具有價格較低，維護方便等優點，這使得在工業中交流電機調速系統的應用遠遠超過了直流電機調速系統的應用。經過數十年的發展，目前交流調速電氣傳動已經成為電氣調速傳動的主流。隨著現代交流電機的調速控制理論的發展和電力電子裝置功能的完善，特別是微型計算機及

14、大規模集成電路的發展，交流電機調速取得了突破性的進展，電氣傳動交流化的時代隨之到來。電力電子器件是現代交流調速的基礎，其發展直接決定和影響著交流調速的發展1。目前，交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電效果以及在國民經濟各領域的廣泛適用性，而被公認為是一種最有前途的交流調速方式，代表了電氣傳動發展的主流方向2。變頻調速技術為節能降耗、改善控制性能、提高產品的產量和質量提供了至關重要的手段。變頻調速理論己形成較為完整的科學體系，成為一門相對獨立的學科。進入90年代，由于新型電力電子器件的發展及性能的提高、計算機技術的發展以及先進控制理論和技術的完善和發展等原因，極大地提高了變頻調速的技術

15、性能，促進了變頻調速技術的發展，使變頻調速裝置在調速范圍、驅動能力、調速精度、動態響應、輸出性能、功率因數、運行效率及使用的方便性等方面大大超過了其他常規交流調速方式，其性能指標亦已超過了直流調速系統，達到取代直流調速系統的地步。國內外發展現狀國內發展現狀隨著國民經濟的快速發展，交流調速電氣傳動已經成為電氣調速傳動的主流。隨著現代交流電機的調速控制理論的發展和電力電子裝置功能的完善，特別是微型計算機及大規模集成電路的發展，交流電機調速取得了突破性的進展，電氣傳動交流化的時代隨之到來。電力電子器件是現代交流調速的基礎，其發展直接決定和影響著交流調速的發展。在交流電動機的傳動控制中，應用最多的功率

16、器件有GTO、GTR、IGBT以及IPM。1947年美國著名的貝爾實驗室發明了半控的電力電子器件一晶閘管，這引發了電力電技術的一場革命，但是晶閘管的半控性影響了它的進一步應用。 70年代(nindi)以后，以門極可關斷晶閘管(GTO)、電力(dinl)雙極性晶閘管(BJT)和電力(dinl)場效應晶閘管(Power-MOSFET)為代表的全控型器件迅速發展。這類器件可以實現自由的開通與關斷，開關速度得到很大的提高，使電力電子技術進入了一個新的發展階段。以全控型器件為基礎，脈沖寬度調制(PWM)方式迅速發展，PWM技術廣泛應用于逆變、斬波、整流、變頻及交流電力控制中，這對電力電子技術以及現代交直

17、流調速的發展產生了深刻的影響。80年代后期以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)為代表的復合型器件異軍突起。它把MOSFET的驅動功率小、開關速度高的優點和BJT通態壓降低、載流能力大的優點結合于一體。IGBT高頻開關特性好，驅動電路簡單、保護容易、開關頻率高，是目前電機變頻控制中應用最為廣泛的主流功率器件。IGBT集射電壓Vce小于3v，開關頻率可達到20kHz，內含的集射間超高速二極管Trr可達150ns。第四代IGBT的應用使變頻器的性能有了更大的提高。IGBT開關器件的發熱減少，將占主回路發熱的50%-70%的器件發熱降低到了30%；高頻波控制使輸出電流波形有了明顯的改善，減小了電機轉矩脈

18、動；由于開關頻率的提高，電動機的金屬鳴響因振動頻率超過了人耳的感受范圍而“消失”，即實現了電機運行的靜音化；驅動回路簡單，驅動功率減少，使得整體裝置更加緊湊，體積減小。20世紀是電力電子變頻技術由誕生到發展的一個全盛時期。最初的交流變頻調速理論誕生于20世紀20年代，直到60年代，由于電力電子器件的發展，才促進了變頻調速技術向實用方向的發展。70年代，席卷工業發達國家的石油危機，促使他們投入大量的人力、物力、財力去研究高效率的變頻器，使變頻調速技術有了很大的發展并得到推廣應用。80年代，變頻調速己產品化，性能也不斷提高，充分發揮了交流調速的優越性，廣泛的應用于工業各部門，并且部分取代了直流調速

19、。進入90年代，由于新型電力電子器件的發展及性能的提高、計算機技術的發展以及先進控制理論和技術的完善和發展等原因，極大地提高了變頻調速的技術性能，促進了變頻調速技術的發展，使變頻調速裝置在調速范圍、驅動能力、調速精度、動態響應、輸出性能、功率因數、運行效率及使用的方便性等方面大大超過了其他常規交流調速方式，其性能指標亦已超過了直流調速系統，達到取代直流調速系統的地步。國外發展(fzhn)現狀本世紀70年代(nindi)西德F.Blaschke等人首先提出矢量(shling)控制(FOC)理論，由此開創了交流電動機等效直流電動機控制的先河。矢量控制也稱為磁場定向控制，它著眼于電機磁場的直接控制。

20、其主要思想是將異步電動機模擬成直流電動機，通過坐標變換的方法分解定子電流，使之成為轉矩和磁場兩個分量，實現正交或解耦控制，從而獲得與直流電動機一樣良好的動態調速特性。因為這種方法采用了坐標變換，所以對控制器的運算速度、處理能力等性能要求較高。但在實際上矢量控制運算及轉子磁鏈估計中要使用電動機參數，其控制的精確性受到參數變化的影響，所以精確的矢量控制系統要對電動機的參數進行估計。這種控制方式需要解耦計算和坐標旋轉變換，計算量較大，實現起來困難。在矢量控制系統中，給定量要從直流變為交流，而反饋量要從交流變為直流再加上轉子磁鏈模型、轉子參數的辨識與校正等；因此電機的速度辨識及磁鏈觀測器的實現是矢量控

21、制系統實現的關鍵所在。自從1971年德國西門子公司提出了異步電機的矢量控制技術(FOC)，交流調速理論得到了歷史性的飛躍3。國內外眾多學者和工程師也對矢量控制理論進行了深入的研究，并在此基礎上進行了改進，提出了各種可行的控制策略。日本學者借鑒了矢量控制的思想和方法，應用穩態轉差頻率得出轉子磁場的位置，提出了轉差矢量控制方法。該理論出發點是異步電機的轉矩主要由電機的轉差頻率來決定。它以定子電流和頻率為控制量，保持電機的旋轉磁場大小不變,而改變磁場的旋轉速度，從而實現電機轉矩的實時控制。本文主要研究內容本課題源于項目研發的需要，以三相交流異步電機為主要的控制對象，結合數字控制技術、電力電子技術及微

22、處理器技術，開發矢量控制理論在三相交流異步電機中的應用。本文的主要內容為： (1) 相關理論的調研與分析 分析和介紹了交流調速技術的發展與方案、變頻調速的發展與方案以及國內外對矢量控制的研究現狀，得出本文選用的控制方案為帶速度傳感器的基于轉子磁場定向的矢量控制理論。 (2) 矢量控制的理論分析及其在三相交流異步電機中的算法實現 以三相交流異步電機在三相靜止坐標系下的數學模型為基礎，對該模型進行分析，設計了轉子磁鏈觀測器，實現定子電流和轉矩的解耦4。結合轉子磁場定向的理論，開發矢量控制理論在三相交流異步電機中的算法實現。 (3) 電壓空間矢量調制技術的研究(ynji)與實現研究了全數字化電壓(d

23、iny)空間矢量調制技術(SVPWM)的理論推導(tudo)與實現方法，并在此基礎上進行了算法的改進和優化。 (4) 基于DSP平臺的矢量控制系統的軟硬件設計 介紹了DSP的性能，并以TI公司的TMS302FL2047A 為主控制器，設計了系統的硬件平臺，并在此基礎上實現了矢量控制系統的軟件設計5。 矢量控制理論完全能夠滿足國民經濟發展對交流調速系統提出的寬調速范圍，快速響應性能，高精度和穩定性的要求，如今矢量控制理論已經應用到家用電器、車輛交通、航空航天、軍工及醫療設備的各個領域中，具有較好的應用前景。三相(sn xin)異步電機的矢量控制原理矢量(shling)控制的基本原理所謂矢量控制就

24、是將靜止坐標系上表示的電動機矢量關系變換(binhun)到以氣隙磁場、定子磁場或者轉子磁場定向的旋轉坐標軸系上，達到對電機轉矩的實時控制的目的。由于轉子磁場定向的矢量控制方法簡單易行，解耦方便，控制精度較好，本文的工作就是基于轉子磁場定向的。交流電機三相定子電流iA1、iB1、iC1，經過由三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系變換得到i1、i1，然后i1、i1再由兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系變換，并使d軸沿著轉子磁鏈的方向，得到交流電機勵磁電流分量id1和轉矩電流分量iq1，分別等效于直流電動機的勵磁電流和轉矩電流6。這樣通過控制id1和iq1，就可以按照直流電動機的控制方法來控制交流電動機。 圖

25、2-1 矢量控制原理圖 矢量控制基本原理如圖2-1所示，其中FOC框就是用來實現矢量控制的，可以完全用軟件來實現。3S/2S是三相靜止到兩相靜止坐標系的變換，VR是兩相旋轉變換，是轉子磁鏈位置角，它表示d軸與軸的夾角，由轉子磁鏈觀測器給出。FOC實現的關鍵是在于轉子磁鏈觀測器的構造，也就是轉子磁鏈位置角的確定。矢量控制系統(kn zh x tn)整體框圖矢量控制的方式(fngsh)主要有兩種：有速度傳感器和無速度傳感器的矢量控制。本文中采用的是帶速度傳感器的矢量控制方式(fngsh)。基于轉子磁鏈定向的系統框圖如圖2-2所示。 圖2-2 矢量控制系統結構框圖系統采用的是帶速度傳感器的基于轉子磁

26、場定向的矢量控制理論，控制結構上采用速度和電流雙閉環控制系統。控制系統根據轉子磁鏈觀測器進行轉子磁鏈的觀測，通過檢測定子電流，并經過三相坐標系到轉子磁場定向的兩相同步旋轉坐標系的變換，得到在d-q坐標系上電機定子電流的轉矩分量和勵磁分量，定子電流的轉矩分量和勵磁分量通過各自的控制器輸出，并通過兩相同步旋轉坐標系變換到兩相靜止坐標系，再利用電壓空間矢量法(SVPWM)來控制脈寬并驅動逆變器進行工作7。該系統的主要特點是轉矩動態相應快，關鍵在于以下兩點：(1) 定子電流的快速準確的獲得。(2) 電流模型的建立與轉子磁鏈位置的計算。三相異步電機的數學模型矢量控制的基礎是三相異步電機數學模型的建立，而

27、三相交流電機的電流、磁通和轉速之間都是互相影響的。另外，三相電機的定子和轉子分別等效成為三個繞組，每個繞組在產生磁通時都有自己的電磁慣性，加上運動系統的機電慣性，變頻裝置的滯后因素等，這些因素都決定了異步電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統。在研究異步電機多變量數學模型時，常作一下(yxi)假設：忽略空間諧波，假設電機三相(sn xin)繞組對稱(空間互差120電角度)，所產生的磁動勢沿著氣隙圓周按照正弦規律(gul)分布。忽略磁飽和，繞組具有恒定的自感和互感。忽略鐵損。各個繞組的電阻恒定，不受頻率和溫度的影響。將電機轉子等效成為繞線轉子，折算到定子側，而且折算后的三相繞組匝數相等。這樣

28、得到三相異步電機的物理模型如圖所示。如圖2-3中的三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的，以A軸為參考坐標軸;轉子繞組軸線a、b、c隨轉子旋轉，轉子a軸和定子A軸間的電角度為空間角位移變量8。規定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機的慣例和右手螺旋定則。我們可以用系統的電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程和運動方程來描述三相異步電機在三相靜止坐標系下的數學模型。 圖2-3 三相異步電機的物理模型電壓空間矢量調制技術通過PWM控制方式對異步電機調速系統的主電路進行控制，是實現異步電機空間矢量調制和矢量控制的基礎。PWM控制的主電路如圖所示，如圖2-4中TI-T6 是逆變器的六個全控式功率開關器件，它們

29、各有一個反并聯的續流二極管。六路PWM控制信號接到TI-T6的源極輸入端，通過有規律的控制TI-T6 的開通和關斷，就可以實現整個線路的輸出控制。 圖2-4 逆變器主電路(dinl)原理圖SVPWM從電機的角度出發，著眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁(dinc)轉矩，這種調制方法把逆變器和電機作為一個整體考慮，是一種無反饋型工作模式，以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁鏈圓為基準，用逆變器不同的工作模式所產生的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓，由追蹤的結果決定逆變器的開關模式，形成PWM波9。本章(bn zhn)小結本章主要介紹了三相異步電機矢量控制的基本原理，

30、以及對數學模型和整體框圖設計的把握。三相異步電機矢量控制系統硬件(yn jin)設計 主電路設計DSP芯片，即數字(shz)信號處理器，是一種高速專用微處理器，運算功能強大，能實現高速輸入和高速率傳輸數據10。DSP內部采用數據(shj)和程序分開的哈佛結構，專門設置了乘法累加器結構，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來實現各種數字信號處理算法。本文以TI公司最新推出的電機控制專用TMS320LF2407ADSP芯片為控制核心進行研究11。主電路圖如圖3-1所示。該電路采用的是典型的交-直-交變頻電路，由不可控整流器和脈寬調制逆變器構成。在這類裝置中，經不可控整流環節，系統的輸入

31、功率因數不變；經PWM逆變環節，系統的輸出諧波減少。利用SPWM或者SVPWM技術進行調制在開關頻率滿足的情況下，輸出可以非常接近正弦波。 圖3-1 主電路圖(1) EMC抗干擾部分FI、RVI、CI、CZ、C3、R0、LLI、C4組成EMC抗干擾電路，用于抑制來自電網的電磁干擾。保險絲采用2OA/250VAC型號，CI、CZ采用10n/250V的瓷片電容，C3采用0.47uF/250V的瓷片電容。R0為1W/560k的電阻。扼流圈LLI的取5A/4mH的規格。(2) 整流部分Bl、Rl、Ll、C5組成了變頻電路的整流部分。該結構采用的是單相不可控全橋整流形式。Bl為500V/25A的整流橋。

32、Rl、C5、Ll組成平波電路，另外還起到限流保護的作用。(3) 逆變部分R2、EI、QI、QZ、Q3、Q4、Q5、Q6組成了電壓型三相橋式逆變(n bin)電路。EI取45OV/300uF，既起到儲能(ch nn)作用，又起到平波作用。功率管Ql-Q6采用(ciyng)ST公司的IRFP460，PWM7-PWM12為MOSFET的驅動信號由DSP的PWM引腳經驅動電路提供。逆變器輸出三相電壓分別經A、B、C三個端子提供給交流異步電機12。驅動和保護電路設計驅動申路采用的是惠普公司生產的IGBT、MOSFET驅動芯片：如圖3-2、3-3所示HCPL_3120和HCPL_316J。其中HCPL_3

33、16J具有電壓欠飽和檢測電路及故障狀態反饋電路，能夠很好的反映逆變電路的工作情況，并對系統進行保護13。HCPL_3120用于上橋臂的驅動，HCPL_316J用于下橋臂的驅動，這樣既實現了逆變電路的保護功能，又能節省成本。 圖3-2 HCPL_3120驅動電路圖 圖3-3 HCPL_316J驅動電路圖驅動電路采用單電源供電的方式，VCC=20V，結合5.IV穩壓管，IRFP460的門極和源極之間可以得到15V左右的開通電壓和-5.IV的關斷電壓，更好的保證了IRFP460的正常開關動作。HCPL_316J的DESAT(l4腳)管腳為飽和電壓輸入引腳，連接MOSFET的漏極，監測開關管導通狀態時

34、漏極、源極之間的電壓大小14。當該電壓超過內部7V的參考電壓時，Fault(6腳)將在5us時間內降為低電平，把該引腳電平送入DSP的PDPINTB引腳，即可關閉PWM引腳輸出，實現系統的功率保護功能。檢測(jin c)電路設計矢量控制系統的完成需要定子電流量、轉子速度量的采集，另外逆變器死區補償的實現也必須以電機相電流采樣為基礎。所以本文的檢測電路(dinl)主要是定子相電流的檢測和轉子速度的檢測。電流(dinli)檢測電路設計定子電流的檢測選用的是型號為TBC25A05的霍爾電流傳感器，并結合OP07構成的算法電路及施密特觸發電路實現定子電流的采集與處理功能15。A相定子電流檢測電路如圖3

35、-4所示。 圖3-4 定子電流檢測電路LH1為霍爾電流傳感器，UI、U2、U3為OP07，其中UI構成電流反向電路，U2構成電流反向加法器，U3以施密特觸發器結構構成電流方向與過零檢測電路。ADC1_IA進入DSP內部的模數轉換的通道0-3，完成Clarke變換所需的定子電流采樣。IOPB0連接DSP通用I/O口，以實現逆變器的死區補償。速度檢測電路設計速度檢測環節見電路圖3-5所示。檢測元件采用光電編碼器，光電編碼器安裝在電機的軸士，當電機旋轉時，光電編碼器會產生兩路正交(相位差為90度)的編碼脈沖16。電機的旋轉方向可以通過檢測兩個脈沖序列中的哪一列先達到來確定，角位置和轉速可由脈沖數和脈

36、沖頻率來確定。 圖3-5 速度(sd)檢測電路編碼器的四個引出端子和J11接頭(ji tu)相連，端子的+5V和地信號為編碼器供電，產生(chnshng)的兩路編碼脈沖通過J11的2、3端接入如圖3-5所示的編碼脈沖信號處理與速度檢測電路。經該開關管NPN1815(T11、T21)驅動和光耦6N137(U11、U21)的隔離，進入DSP的正交編碼脈沖(QEP)電路。DSP根據QEP接入的信號可以判斷電機轉動的方向、速度以及位置角。本章小結本章主要對電路芯片、主電路、驅動保護電路以及檢測電路進行了詳細的介紹和設計分析。三相異步電機矢量(shling)控制系統軟件設計主程序設計(chn x sh

37、j)主程序主要(zhyo)完成系統初始化、各模塊初始化以及中斷系統設置等工作。這些模塊主要包括：I/O模塊、ADC模塊、事件管理器EVA及EVB模塊，另外還包括系統所需變量的初始化。主程序流程圖如圖4-1所示。系統初始化完成存儲器，系統時鐘，看門狗的配置。設置DSP中B0塊映射到數據存儲器空間，使能看門狗單元，系統時鐘采用外部時鐘源，并通過PPL進行四分頻，在外部晶振為8MHz的情況下，系統的時鐘為32MHz。 圖4-1 主程序流程圖ADC模塊設置DSP內部模數轉換器為連續轉換工作方式，采樣預定表因子設置為l，采樣窗口時間為2*TCLK(TCLK為系統時鐘周期)。I/O模塊初始化通過設置寄存器

38、MCRX(x為A,B,C)和PyDATDIR(y為A-F)對DSP的引腳功能進行選擇：是作為基本功能使用還是作為一般I/O口使用；一般UO口是作為輸入口使用還是作為輸出口使用。這里最重要的是設置IOPE1-IOPE7 8個引腳為基本功能即PWM輸出引腳：PWM7-PWM12。EVA、EVB模塊初始化包括定時器初始化，正交編碼器初始化，周期中斷及功率保護中斷初始化，比較器初始化。這里定時器T3用于正交編碼脈沖電路的計數器，T4用于周期中斷定時器。設置中斷周期為133.3us，SVPWM載波頻率7.5kHz，死區時間3us，使能EBV模塊的功率保護功能。結合MOSFET驅動電路設置比較器輸出PWM

39、7，9，11高電平有效(對應逆變器上橋臂)，PWM8，10，12高電平有效(對應逆變器下橋臂)。PWM中斷服務(fw)程序設計PWM中斷服務程序也就是T4周期中斷服務程序，是矢量控制軟件系統的關鍵(gunjin)部分。它完成電機電流、速度的采樣，FOC算法的實現以及SVPWM的調制程序模塊。PWM中斷服務程序流程圖如圖4-2所示。 圖4-2 PWM中斷(zhngdun)服務程序流程圖功率保護模塊設計在矢量控制系統的硬件設計中，驅動電路采用了具有欠壓保護和故障檢測的HCPL_316J，在開關管導通狀態時漏一源間的電壓超過內部7V的參考電壓時，Fault(6腳)將在5us時間內降為低電平，從而DS

40、P的PDPINTB引腳被拉低。功率驅動保護(boh)模塊的設計如圖4-3所示。當功率模塊保護后，DSP硬件會自動把PWM引腳輸出關閉并置為高阻態，PDPINTB引腳的下降沿觸發產生PDPINTB中斷，中斷程序對保護中斷的次數進行計數，若10s時間內，保護次數達到或者超過3次的話，將永久關閉PWM輸出，直至系統(xtng)復位。若10s時間內，保護次數少于3次的話，將Tp清零(qn ln)，并重新起動系統。 圖4-3 功率驅動保護的設計流程圖程序抗干擾設計變頻器的干擾源雖然不會破壞硬件，但是降低了系統的穩定性和數據的可靠性，可能會造成程序“跑飛”，使系統運行失常，嚴重時可導致DSP控制失靈。軟件

41、抗干擾技術可以很好的消除這種隨機性的系統故障。一般DSP程序軟件抗干擾措施如下：(1) 設置軟件陷阱防止干擾造成程序的非正常運行當程序指針PC失控時，程序會“跑飛”而不斷進入非程序區：只要在非程序區設計攔截措施，使程序進入陷阱，然后迫使程序進入初始狀態或者等待狀態即可。本文設置了假中斷程序，該程序內部是幾條程序返回指令，并不執行其它功能。當PC指針指向假中斷后，程序能夠立即返回到等待處，并繼續等待正確的中斷發生。(2) 利用時間冗余技術，屏蔽干擾信號多次采樣輸入、判斷，以提高輸入的可靠性；利用多次重復輸出來判斷，提高輸出信息的可靠性；重新初始化，強行恢復正常工作，以免I/O的輸入輸出不正常；查

42、詢中斷源的狀態，防止干擾造成誤中斷；在不需要的時間里屏蔽中斷，以減少因十一擾引起的誤中斷。本文中電流采樣模塊除了硬件上做了濾波和抗干擾措施以外，軟件上還采取了時間冗余技術，電流模塊進行多次(本文進行了4次)采樣，取平均值作為真正的電流采樣值，這樣很好的消除了外界瞬時干擾，使實際采樣值更好的接近理想采樣值。(3) 設置監視(jinsh)跟蹤定時器(WDT)由于TMS320LF2407A中自帶了看門狗定時器，所以程序運行時使看門狗使能。在主程序運行過程中需要(xyo)對看門狗定時器定時喂狗。當程序運行出錯時，看門狗定時器得不到刷新，會使程序復位。看門狗使能程序(chngx)：LDP #0E0HSP

43、LK #0AFH，WDCR喂狗程序：LDP #00E0hSPLK #05555H，WDKEYSPLK #0AAAAH，WDKEY軟件抗干擾能解決硬件無法解決的問題，不但提高系統的效能和穩定性，也節省了硬件成本。本章小結本章主要介紹了三相異步電機矢量控制系統的軟件各部分的設計。實驗(shyn)裝置的仿真和結果實驗裝置(zhungzh)仿真 按照(nzho)前文所述，在對原理圖進行繪制的基礎上設置了系統的PCB圖，得到了硬件印刷電路板，并焊接調試完成了系統的硬件平臺，系統的硬件電路印刷板如圖5-1和5-2所示，圖5-1包括了系統調試用仿真器、DSP最小系統、主電路、控制與驅動電路、電源電路以及除電

44、流采樣電路以外的其他電路。圖5-2是電流信號采樣與處理硬件電路板。 圖5-1 矢量控制系統硬件電路板 圖5-2 電流信號采集與處理(chl)硬件電路板本實驗的負載采用的是三相交流(jioli)異步電機和用作電機負載的磁粉制動器系統，如圖5-3所示。 圖5-3 三相交流(jioli)異步電機與磁粉制動機實驗(shyn)結果以上述電機和磁粉制動器系統為負載(fzi)，本次對該矢量控制系統進行了實驗，并得到了系統給定輸出頻率為20Hz時測量(cling)的波形。圖5-4給出了交流電機的相電流波形圖。圖5-5和5-6給出了示波器在500us/div和50us/div時同一橋臂上下兩個開關管的驅動波形P

45、WM7、PWM8。從圖中可以明顯看出系統的載波頻率，PWM7、PWN8驅動電平及占空比的變化情況。 圖5-4 相電流波形 圖5-5 PWM7、PWM8引腳驅動(q dn)輸出波形（500us/div) 圖5-6 PWM7、PWM8引腳驅動輸出(shch)波形（50us/div)本章(bn zhn)小結本章(bn zhn)主要介紹了實驗所用硬件裝置及其對應設計的仿真，并對得出的結論進行了比較分析。結論(jiln)隨著電力電子技術、微處理器技術以及新的電機控制理論的出現，交流調速方案日益成熟，并有取代直流調速系統的趨勢。變頻調速以其優異的調速性能、高效節能的優點成為最有發展前途的交流調速方式。但是

46、一般的變頻調速方法并不能很好的滿足現代國民經濟發展對交流調速系統的要求。而矢量控制理論則因其結構簡單，電流解耦方便，速度與力矩響應快等優點，成為高性能交流電機調速的方向(fngxing)。本文的主要工作：(1) 設計了基于轉子(zhun z)磁場定向的交流異步電機矢量控制系統的控制結構。閱讀了國內外大量的變頻調速、PWM控制方面的資料，對電壓空間矢量調制(SVPWM)和矢量控制(FOC)進行了較為深入的研究，參考三相異步電機的數學模型，通過坐標變換得到三相異步電機在兩相旋轉坐標系下的數學模型，結合轉子磁場定向的思想，對其進行了電流量的解耦，得到了定子的轉矩分量和勵磁分量，并以此建立了轉子磁鏈觀測器，從而構建了帶轉速互感器的基于轉子磁場定向的電流與速度雙閉環矢量控制系統。(2) 以T1公司的高性能數字信號處理器TMS302LF2407A為主要的硬件平臺設計了系統的硬件和軟件系統。對硬件系統的主電路、驅動電路、保護電路、信號采集電路、輸入輸出電路以及電源電路進行了設計和實驗，并在此基礎上以匯編語言完成了軟件算法的編寫和調試，此外還分析了系統干擾的消除方法及軟件的抗干擾措施。本文完成了基于DSP的三相交流異步電機矢量控制系統的軟硬件設計，并在1.0KW交