1、目錄摘要 .iabstract.ii第 1 章 緒論 .11.1 電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況.11.2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀.21.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .21.2.2 目前的熱點研究問題及解決方法 .21.3 本文所做的工作.3第 2 章 直接轉(zhuǎn)矩控制理論 .42.1 概述.42.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理.42.2.1 異步電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型 .42.3 逆變器的輸出電壓狀態(tài)及電壓空間矢量.62.3.1 逆變器輸出電壓狀態(tài) .62.3.2 電壓空間矢量 .72.4 電壓空間矢量對電動機定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響.82.4.1 異步電機的磁鏈觀測模型 .82.4.2 電壓空間矢量對

2、定子磁鏈影響 .92.4.3 電壓空間矢量對轉(zhuǎn)矩的影響 .102.5 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成.112.5.1 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器 .122.5.2 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 .122.5.3 開關(guān)信號選擇單元 .132.6 低速范圍內(nèi)的解決方案.13第 3 章 異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的建模與仿真 .163.1 仿真軟件 matlab 簡介 .163.1.1matlab 語言.163.1.2 軟件構(gòu)成 .163.2 仿真模型搭建及參數(shù)設(shè)置.183.3 仿真結(jié)果及分析.20第 4 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 .214.1 控制電路結(jié)構(gòu)簡介 .214.2dsp(tms320lf2407a) .214.3 3.3

3、v dsp 與 5v 邏輯器件的混合接口問題.234.3.1 邏輯電平不同，接口時出現(xiàn)的問題.234.3.2 系統(tǒng)接口實現(xiàn)方法.244.4 轉(zhuǎn)子速度的測量 .264.5 a/d 采樣電路.264.6 主電路結(jié)構(gòu)框圖.274.7 ipm 智能模塊 7mbp50ra120 功能簡述 .284.8 主電路的保護功能 .294.9 主電路的控制電源.30第 5 章系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計開發(fā) .315.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計.315.2 軟件模塊.345.2.1 初始化模塊 .345.2.2 串口通訊模塊 .355.2.3 電流采樣模塊 .355.2.4 電機轉(zhuǎn)速采樣模塊 .365.2.5 pl 調(diào)節(jié)模塊 .

4、37參考文獻 .38致謝 .40異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究摘要：本文介紹了異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理和系統(tǒng)的基本構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上，通過matlabsimulink建立了各個模塊的仿真模型，構(gòu)建了直接轉(zhuǎn)矩控制仿真系統(tǒng)，對直接轉(zhuǎn)矩控制方法的特點及其存在的問題進行了仿真分析研究，驗證了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的可行性。但轉(zhuǎn)矩脈動較大，針對這一缺點，本文利用雙pi控制方法進行了改進，設(shè)計出一種非零電壓空間矢量和零電壓空間矢量控制器，改進了速度調(diào)節(jié)器以及開關(guān)狀態(tài)表，結(jié)果表明，所提方案能極大的減小轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間，同時算法簡單，易于實現(xiàn)。最后在方案論證的基礎(chǔ)上，選擇了電機控制專用芯片tms320lf2

5、407a為控制核心，設(shè)計了一個控制系統(tǒng)。在dsp集成開發(fā)環(huán)境下給出了系統(tǒng)軟件。關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制；異步電機；matlabsimulink：dspinduction motor direct torque control systemabstract：the basic principle and structure of dtc have been introduced，on this ground，using matlabsimulink build the simulation models which form the whole dtc simulation systemthen，d

6、tc method prove to be of feasibility according to study and analyze the characteristic of the simulation systemit is well established that conventional direct torque control(dtc)suffers from high torquea new controller of nonzero voltage space vector and zero voltage space vector using double-pi is

7、proposedit improves the speed adjustor and inverter switching tablesimulation results show that the proposed controller managed to reduce the torque ripple and minish the response time of speedthe algorithm is simple and easy to implementon the basis of the theory analysis of dtc system，a least cont

8、rol system based on tms320lf2407a is proposed，including software designing and hardware designingsystem software was compiled under ccsfinallg the thesis sums up the whole work ofstudy and predict the direction offorwardstudy as wellkeywords：direct torque control；induction motor；matlabsimulink；dsp第

9、1 章 緒論1.1 電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況自十九世紀后半期，電機發(fā)明以來已經(jīng)歷了一個多世紀，電力拖動已滲透了人類活動每一領(lǐng)域，從人們?nèi)粘Ｉ畹霓k公樓到冶金、化工、輕工等各行各業(yè)。上世紀九十年代以前，由于直流調(diào)速拖動系統(tǒng)的性能指標優(yōu)于交流調(diào)速拖動系統(tǒng)，因此直流調(diào)速拖動系統(tǒng)一直在調(diào)速領(lǐng)域占居優(yōu)勢。隨著電力電子技術(shù)不斷發(fā)展，各類大功率半導(dǎo)體器件如gto、mosfet、igbt等的不斷出現(xiàn)，使交流傳動調(diào)速在近十年來得到飛快進步，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)運而生。這時，直流電機和交流電機相比的缺點日益顯露出來，例如具有電刷和換相器因而必須經(jīng)常檢查維修，換向火花使它的應(yīng)用環(huán)境受到限制，換向能力限制了直流電機的容

10、量和速度等等。于是，用交流可調(diào)傳動取代直流可調(diào)傳動的趨勢越來越明顯，交流傳動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為電氣傳動控制的主要發(fā)展方向。1971年，德國學(xué)者eblaschke提出了交流電機的磁場定向矢量控制理論，標志著交流調(diào)速理論的重大突破。所謂矢量控制，就是把交流電機模擬成直流電機，通過坐標變換來實現(xiàn)電機定子電流的激磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，然后分別獨立調(diào)節(jié)，從而獲得高性能的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。矢量控制主要有兩種方式：磁場定向矢量控制和轉(zhuǎn)差頻率矢量控制。但無論采用何種方式，轉(zhuǎn)子磁通的準確檢測是實現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵，直接關(guān)系到矢量控制系統(tǒng)性能的好壞。一般的，轉(zhuǎn)子磁通檢測可以采用直接法或間接法來實現(xiàn)。直接法就是通過

11、在電機內(nèi)部埋設(shè)感應(yīng)線圈以檢測電機磁通，這種方式會使簡單的交流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，降低了系統(tǒng)的可靠性，磁通的檢測精度也不能得到長期的保證。因此，間接法是應(yīng)用中實現(xiàn)磁通檢測的常用方法。這種方法通過檢測電機的定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等可以直接檢測的量，采用狀態(tài)重構(gòu)的方法來觀測電機的磁通。這種方法便于實現(xiàn)，也能在一定程度上確保檢測精度，但由于在狀態(tài)重構(gòu)過程中使用了電機的參數(shù)，如果環(huán)境變化引起電機參數(shù)變換就會影響到磁通的準確觀測。為補償參數(shù)變化的影響，人們又引入了各種參數(shù)在線辨識和補償算法，但補償算法的引入也會使系統(tǒng)復(fù)雜化。1985年，德國魯爾大學(xué)的mdepenbrock教授提出了一種新型交流調(diào)速理論-直接轉(zhuǎn)矩

12、控制。這種方法是在定子坐標系對電機進行控制的，結(jié)構(gòu)簡單，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標變換引起的計算量大，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)性能受電機參數(shù)影響較大等缺點，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標都十分優(yōu)越，是一種很有發(fā)展前途的交流調(diào)速方式。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制理論一問世便受到廣泛關(guān)注。目前國內(nèi)外圍繞直接轉(zhuǎn)矩控制的研究十分活躍。1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前，在國外以德國和日本為主，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的理論已經(jīng)比較成熟，美國、意大利、韓國和法國緊隨其后，使得直接轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用發(fā)展逐步擴大。目前直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)己成功應(yīng)用于電力機車牽引系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)等大功率調(diào)速應(yīng)用

13、場合。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)從物理關(guān)系上構(gòu)成轉(zhuǎn)矩與磁鏈的近似解耦關(guān)系，可以獲得良好的動態(tài)性能，控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，很快就得到廣泛的推廣與應(yīng)用。而傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在低速運行區(qū)段與穩(wěn)態(tài)運行區(qū)段還存在很多問題，需要進一步研究。僅從電機本身出發(fā)來完善直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)是不可能的事情，必須另辟蹊徑。現(xiàn)代的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，需要各種先進的控制技術(shù)作支撐，它已經(jīng)不是單一的一項技術(shù)，而是發(fā)展成多種學(xué)科交叉的一項綜合技術(shù)。下面就直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)所需要進一步研究的問題進行了總結(jié)：(1)先進控制策略在現(xiàn)代直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中的應(yīng)用，改善穩(wěn)態(tài)運行性能問題對于現(xiàn)代直接轉(zhuǎn)矩控制來說，空間矢量調(diào)制模塊

14、需要控制器來生成給定的空間電壓矢量，這樣可以充分發(fā)揮線性控制與各種非線性控制方法的各自優(yōu)點，如線性控制的平滑性、變結(jié)構(gòu)控制的快速性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制的智能性與魯棒性，盡管在一定程度上增加了控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，然而控制器可以大大改善控制性能。(2)磁鏈與轉(zhuǎn)矩估計問題對于直接轉(zhuǎn)矩控制來說，磁鏈與轉(zhuǎn)矩估計精度直接影響控制性能的好壞，甚至?xí)?dǎo)致控制失敗。高速運行時，現(xiàn)有的估計方法可以得到滿意的精度，而低速時，尤其接近零速時，很多估計方法往往會失效解決低速時的磁鏈與轉(zhuǎn)矩估計問題具有重要意義。(3)速度估計問題近年來，無速度傳感器技術(shù)受到了電氣傳動領(lǐng)域普遍的關(guān)注。針對已有的速度估計方法精度差，超低速及零定

15、子頻率運行條件下電機轉(zhuǎn)速不可觀測性，開發(fā)高精度及適用于超低速及零定子頻率條件下的速度估計方法具有重要的現(xiàn)實意義。(4)空載或者欠載條件下如何優(yōu)化參考的定子磁鏈問題。1.2.2 目前的熱點研究問題及解決方法異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制計算方便，控制結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)性能好。但在低速運行時，存在一些問題，這些問題成為目前dtc研究的熱點。主要體現(xiàn)在以下兩方面：(1)低速時，由于定子電阻的變化帶來的一系列問題。主要表現(xiàn)在定子電流和磁鏈的畸變非常嚴重。主要解決方法：(1.1)采用un模型。使用電流pi調(diào)節(jié)器，強迫電機模型電流和實際電機電流相等，精度大大提高，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。(1.2)模糊定子電阻辨識器(fli)，

16、以定子磁鏈大小和相角誤差作為輸入，通過推論和解模，對定子電阻進行辨識御。(2)低速時，轉(zhuǎn)矩脈動、死區(qū)效應(yīng)、開關(guān)頻率問題。主要解決方法：(2.1)使用改進的開關(guān)狀態(tài)表，改進控制參數(shù)與開關(guān)量的關(guān)系，使之產(chǎn)生更優(yōu)的控制電壓波形。(2.2)運用fuzzy pi轉(zhuǎn)矩控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，即引入模糊控制和智能控制，用軟件來解決轉(zhuǎn)矩脈動問題。(2.3)引入模糊控制方法，對轉(zhuǎn)速進行辨識，從而得到穩(wěn)定的開關(guān)頻率并降低轉(zhuǎn)矩脈動。1.3 本文所做的工作論文的工作要求是通過在理解直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的基本原理，利用matlabsimulink搭建直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)進行仿真，驗證理論的正確性和可行性。在此

17、基礎(chǔ)上，設(shè)計一個電機控制的小系統(tǒng)，其中包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。本文的主要內(nèi)容如下：第1章:在參考瀏覽大量文獻資料的基礎(chǔ)上，闡述了電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況，以及直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展現(xiàn)狀，提出異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制理論以及目前的熱點研究問題。最后論述論文研究的內(nèi)容。第2章:對直接轉(zhuǎn)矩控制理論進行了簡單介紹，給出了論文中直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計方案的理論依據(jù)。第3章:利用matlab軟件的simulink模塊對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行仿真，針對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)分別建立仿真模型，構(gòu)建直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。對仿真結(jié)果進行分析，對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行簡單評價。并在此基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)的dtc系統(tǒng)進行了改進，有效的

18、降低了轉(zhuǎn)矩脈動。第4章:控制系統(tǒng)硬件設(shè)計。第5章:進行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。第 2 章 直接轉(zhuǎn)矩控制理論2.1 概述直接轉(zhuǎn)矩控制出現(xiàn)以前，矢量控制長期占據(jù)著異步電機控制的主導(dǎo)地位。矢量控制技術(shù)模仿直流電機的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法，實現(xiàn)了對交流電機的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦。然而，由于系統(tǒng)特性受電機參數(shù)的影響較大，以及在模擬直流電機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實際的控制效果難于達到理論分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制理論是1985年由德國學(xué)者狄普布洛克(m.depenbrock)首次提出的，隨后日本學(xué)者塔卡哈什(i.hakahash)也提出了類似的控制方案。與矢量控制系統(tǒng)相比，

19、直接轉(zhuǎn)矩控制具有如下優(yōu)點：(1)直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學(xué)模型、控制電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，計算過程簡單。(2)直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，通過定子電阻即可觀測。而矢量控制磁場定向所用的轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測需要知道電機的轉(zhuǎn)子電感和電阻。因此直接轉(zhuǎn)矩控制減少了矢量控制中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。(3)直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析異步電機的數(shù)學(xué)模型和控制其物理量，使問題變得簡單明了。(4)直接轉(zhuǎn)矩控制是直接將轉(zhuǎn)矩作為被控量，直接對其進行控制，而不是像矢量控制那樣通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩。2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理2.2.1 異步電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型為了

20、便于分析異步電機的數(shù)學(xué)模型，為了抽象出理想的電機模型，必須進行一些假設(shè)，這些假設(shè)是：(1)氣殊均勻；(2)磁路線性；(3)定、轉(zhuǎn)子三相繞組對稱，其有效導(dǎo)體沿氣隙空間作正弦分布；(4)忽略磁場諧波，即設(shè)磁場正弦分布；無論電機轉(zhuǎn)子是繞線式還是鼠籠式，都將它等效成繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的每相匝數(shù)都相等。在直接轉(zhuǎn)矩控制的分析中，采用空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法。圖2.1是異步電機的空間矢量的等效電路圖。圖 2.1 異步電機空間等效電路圖中各量定義如下：定子電壓空間矢量；su定子電流空間矢量；ui轉(zhuǎn)子電流空間矢量；ri定子磁鏈空間矢量；u轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量；r電角速度（機械角速度和極對數(shù)的積） 。并且

21、規(guī)定，將旋轉(zhuǎn)空間矢量在軸上的投影稱為分量，在正交的軸上的投影稱為分量。 根據(jù)以上規(guī)定，異步電動機在定子坐標系上可由以下方程表示： (2.1)usssiru (2.2)rrrjir0 由以上方程推出定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈方程式： (2.3)suil (2.4)ruril (2.5)sin231ruelt 2.3 逆變器的輸出電壓狀態(tài)及電壓空間矢量2.3.1 逆變器輸出電壓狀態(tài)逆變器(見圖 2.2)由三組、六個開關(guān)(、)組成。由于與asasbsbscscsasa、與、與之間互為反向，即一個接通，另一個關(guān)斷，所以三組開關(guān)共有sbsbscscs23=8 種可能開關(guān)方式組合。圖 2.2 逆變器等效電路規(guī)定

22、a、b、c 三相負載的某一相與“+”極接通時，該相開關(guān)狀態(tài)為“1”;與“-”級接通時，狀態(tài)為“0” 。則 8 種可能的開關(guān)組合狀態(tài)見表 2.1。 表 2.1 逆變器的 8 種開關(guān)狀態(tài)狀態(tài)01234567asbscs000100010110001101011111對應(yīng)于逆變器的 8 種開關(guān)狀態(tài)，對外部負載來說，逆變器輸出 7 種不同的電壓狀態(tài)。這 7 種不同的電壓狀態(tài)可分成兩類：一類是 6 種工作電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于開關(guān)狀態(tài)“1”至“6”分別稱為逆變器的電壓狀態(tài)“1”至“6” ；另一類是零電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于零開關(guān)狀態(tài)“7”和“8” ，由于對外來說，輸出的電壓都為零，因此統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài)（詳

23、見表 2.2） 。表 2.2 逆變器電壓狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)對照表工作狀態(tài)零狀態(tài)狀態(tài)12345678開關(guān)狀態(tài)sabc011001101100110010000111表示一tussu011su001su101su100su110su010su000su111表示二tus1su2su3su4su5su6su7su 電壓狀態(tài)表示三tus12345672.3.2 電壓空間矢量由于異步電動機的電壓，電流，磁鏈等都是三相電磁量，故對異步電動機進行分析和控制時，必須對三相進行分析和控制，比較困難。引入 park 矢量變換，可以方便的進行控制，park 矢量變換是將三個標量變?yōu)橐粋€矢量。對三相定子繞組相電壓，au，

24、進行 park 矢量變換，得到合成量。bucutus= (2.6) tus343232jcjbaeueuu代表著三相電磁量在空間的位置，故稱之為空間矢量。用空間電壓矢量表示tus逆變器的7個電壓狀態(tài)，形成了7個離散的電壓空間矢量，每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔600，6個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成正六邊形的6個頂點。矢量順序從狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6”逆時針旋轉(zhuǎn)。對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)是011001101100110010。其所對應(yīng)空間電壓矢量狀態(tài)為，零電壓矢量7位1su2su3su4su5su6su于正六邊形中心。空間電壓矢量狀態(tài)圖如圖2.3所示。圖2.3 電壓空間矢量表示的7種離散電壓狀態(tài)2.

25、4 電壓空間矢量對電動機定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響2.4.1 異步電機的磁鏈觀測模型在直接轉(zhuǎn)矩控制中，無論是按圓形軌跡控制還是按六邊形軌跡控制，都需要己知定子磁鏈。采用直接檢測的方法獲得定子磁鏈，存在各方面的條件限制，在實際系統(tǒng)中使用較少。較為通用的方法為間接測量的方法，即通過易于測量的電機其它物理量(如定子電壓、定子電流和轉(zhuǎn)速等)，建立定子磁鏈的觀測模型，在控制中實時地推算出定子磁鏈的幅值和相位。定子磁鏈的觀測準確性直接影響系統(tǒng)的性能，可以說是dtc技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵。對于異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，對其進行定子磁鏈觀測非常重要，對于磁鏈的估算提出了三種模型：模型，模型和模型。下面分別對這三種模型進i

26、u ninu 行分析。(1)模型iu 用定子電壓和定子電流來確定定子磁鏈的方法叫模型發(fā)。定子磁鏈可根據(jù)一iu 個簡單公式分析，其公式為： (2.7)dtrtitutssss 用該公式確定定子磁鏈，得到精確的電壓，電流，便于計算出定子磁鏈。 模型計算定子磁鏈，其誤差由定子電阻引起。故模型在 30%額定轉(zhuǎn)速iu sriu 以上時，能夠非常準確的確定定子磁鏈，并且仍要注意溫度對電阻的影響。在定子頻率接近零時，這種方法也不適用，原因在于用作定子電壓和定子電阻壓降之間的差值消失，以致只有誤差被積分?？傊?30%額定轉(zhuǎn)速以上時，模型法，結(jié)構(gòu)簡單，精iu 度高。下圖為模型的原理圖。iu 圖2.4 ui模型

27、原理圖(2)模型ni 模型是利用定子電流與轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈。當電動機在30%額定轉(zhuǎn)速以下時，ni磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來正確計算，這時利用模型計算磁鏈是非常合適的。下式為ni 模型定、轉(zhuǎn)子磁鏈計算公式：ni (2.8)rrsrrrsslrlill11 (2.9)rrsrrrsslrlill11 式中：、為轉(zhuǎn)子磁鏈在-坐標系上的分量；rr 、為定子磁鏈在-坐標系上的分量。ss由公式可知，模型雖然不受定子電阻的影響，但其受到轉(zhuǎn)子電阻、漏電感nirr、主電感的影響。此外模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，角速度的測量誤差對模型影響很大，llni故需要精密的測量角速度。(3)模型nu 模型綜合了模型和模型的特點，是一個在全速范

28、圍內(nèi)都適用的磁鏈nu iu ni模型，其由定子電壓和轉(zhuǎn)速來獲得定子磁鏈。其主要優(yōu)點是：(3.1)結(jié)合了模型和模型的優(yōu)點，很自然的解決了切換的問題；iu ni(3.2)引入pi電流調(diào)節(jié)器，大大提高了電動機模型的仿真精度；缺點是：結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，實用性差。2.4.2 電壓空間矢量對定子磁鏈影響 將逆變器的輸出電壓直接加到異步電動機的定子上，定子電壓與逆變器電壓tus相等也為，得定子磁鏈與定子電壓關(guān)系式為：tuststus= (2.10)tsdtrtitusss若忽略定子電阻壓降的影響，近似為：= (2.11)tsdttus該關(guān)系式表示定子磁鏈空間矢量與電壓空間矢量之間的積分關(guān)系。如下圖圖2.5 電壓

29、空間矢量與磁鏈矢量空間關(guān)系根據(jù)磁鏈空間矢量與電壓空間矢量的關(guān)系圖可得出：(1)忽略定子電阻的影響，可得到定子磁鏈頂點的運動軌跡方向平行于電srts壓空間矢量的指向的方向。tus(2)在適當時給出定子電壓空間矢量，可得到定子磁鏈654321ssssssuuuuuu運行的軌跡為，形成正六邊形。654321ssssss于是可利用逆變器的六個工作電壓狀態(tài)可簡單的得到六邊形的磁鏈軌跡對電動機進行控制。這就是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想，電壓空間矢量對定子磁鏈的影響可通過以下方式實現(xiàn)：(3)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：在正常電壓空間矢量作用期間，適時的插入零矢量對電動機進行控制，當有效電壓空間矢量作用時，定子磁鏈運動軌跡沿

30、著電壓空間矢量作用方向運動;插入零矢量后，定子磁鏈靜止，由于零矢量的插入，使得旋轉(zhuǎn)速度變慢，在這期間保持電壓空間矢量作用時間不變，定子磁鏈幅值不變，電動機實現(xiàn)恒磁通調(diào)速，即實現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。(4)恒功率調(diào)速：通過改變電壓空間矢量的作用時間，達到改變定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度的目的。由于電壓空間矢量幅值不變，只改變了作用時間，所以定子磁鏈所圍成的面積發(fā)生改變，作用時間變短，面積變小，定子磁鏈幅值變小。對電動機實現(xiàn)了恒功率調(diào)速。2.4.3 電壓空間矢量對轉(zhuǎn)矩的影響 異步電動機轉(zhuǎn)矩的大小跟定、傳子磁鏈的幅值和磁通角有關(guān)。在實際運用時，為了充分利用鐵心，保持定子磁鏈幅值不變，轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值是根據(jù)負載決定，故在直

31、接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，可以通過改變磁通角的大小來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制，其控制方法為通過控制電壓空間矢量來對定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度進行控制，改變了定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而改變了磁通角的大小，以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)矩的控制。其主要控制方法有以下幾方面：(1)增大轉(zhuǎn)矩：增大有效電壓空間矢量，使得電壓幅值足夠大，就使得定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，磁通角增大，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩增大。(2)減小轉(zhuǎn)矩：給出零電壓空間矢量，定子磁鏈會走走停停，定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度小于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，磁通角減小，轉(zhuǎn)矩減小。(3)迅速減小轉(zhuǎn)矩：施加有效反向電壓空間矢量，定子磁鏈會進行反方向旋轉(zhuǎn)，磁通角迅速減小，使得轉(zhuǎn)矩也迅速減小。通過控制工作

32、狀態(tài)的電壓空間矢量和零狀態(tài)電壓空間矢量的交替出現(xiàn)的時間，實現(xiàn)了對定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度的改變，通過這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)可獲得高性能的轉(zhuǎn)矩特性。2.5 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成通過前文的介紹，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本控制方式已經(jīng)清楚，根據(jù)前文可得到系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)及結(jié)構(gòu)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可分為以下幾個部分：(1).控制部分：分為磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器；(2).逆變部分：由逆變器組成；(3).電機部分：為異步電動機。圖2.6 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖圖中各個單元器件名稱為：amm異步電機數(shù)學(xué)模型；uct坐標變換單元；dmc磁鏈自控制單元；azs零狀態(tài)選擇單元；amc轉(zhuǎn)矩計算單元； atr轉(zhuǎn)矩調(diào)

33、節(jié)器；ut逆變器。由圖可知，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)工作原理為：通過amm計算得到定子磁鏈，并分解到坐標軸，然后經(jīng)過uct進行坐標變換，通過將計算得到的磁鏈值與dmc給定的磁鏈,值進行比較，得到磁鏈開關(guān)信號，通過amc計算得到轉(zhuǎn)矩值，根據(jù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器atr的輸出量決定是否插入零狀態(tài)，確定電壓開關(guān)狀態(tài)，對逆變器的輸出電壓進行控制，使其產(chǎn)生六邊形磁鏈。2.5.1 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器磁鏈調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是對磁鏈量進行調(diào)節(jié)。在電動機低速運行時，由于定子電阻壓降的影響，定子磁鏈幅值減小，在電動機低頻運行時，定子磁鏈幅值也減小，為了避免定子磁鏈的減小，引入磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器，主要作用在于加大定子磁鏈幅值，維持磁鏈幅值在允許范

34、圍內(nèi)波動。磁鏈調(diào)節(jié)過程是通過磁鏈電壓完成，磁鏈電壓為定子電壓空間矢量，目的在于區(qū)別轉(zhuǎn)矩電壓，作用在于增大定子磁鏈幅值。對磁鏈電壓的選擇主要有兩種：一種是與磁鏈運動軌跡成-600角的電壓空間矢量；另一種是成-1200角的電壓空間矢量。磁鏈調(diào)節(jié)器器實際上也是一個施密特觸發(fā)器，對磁鏈幅值進行兩點式調(diào)節(jié)。引入容差寬度，它是定子磁鏈幅值與給定幅值之間允許的波動范圍，磁鏈調(diào)節(jié)器gf輸入量為給定磁鏈幅值與反饋磁鏈幅值之差，輸出兩為磁鏈量開關(guān)信號。q圖2.7 磁鏈調(diào)節(jié)器原理圖2.5.2 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)矩控制在許多場合里都顯得非常重要，即便是追求精確轉(zhuǎn)速的一些場合因為只有影響轉(zhuǎn)速的最直接的原因就是轉(zhuǎn)矩的變化

35、。如果轉(zhuǎn)矩控制性能好，則不難設(shè)計一個速度調(diào)節(jié)器，使速度環(huán)有良好的品質(zhì)。反之，若轉(zhuǎn)矩控制性能不好，響應(yīng)慢，相應(yīng)的調(diào)速性能也不會很好。因此調(diào)速的關(guān)鍵在轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的任務(wù)是實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的名稱也是由此而來。為了控制轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器必須具備兩個功能：一個功能是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；另外一個功能是控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向，以加強轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器也采用施密特觸發(fā)器，輸入信號為轉(zhuǎn)矩給定值與轉(zhuǎn)矩反饋值的信gtft號差。調(diào)節(jié)器輸出量為轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號。容差為，調(diào)節(jié)器采用離散的亮點式調(diào)tqtm節(jié)方式。圖2.8 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器原理圖 當下降到調(diào)節(jié)器容差下限，調(diào)節(jié)器輸出信號狀態(tài)為“1” 。在

36、作用下，ftmqt1qt得到相應(yīng)的電壓空間矢量，使得定子磁鏈前轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩上升。當上升到容量上限ft時，變?yōu)椤?”態(tài)，在作用下，零電壓加到電動機上，定子磁鏈靜止，轉(zhuǎn)mqt0qt矩減小，下降到調(diào)節(jié)器容差下限，重復(fù)運行。反復(fù)這樣運行，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)器兩點m式調(diào)節(jié)，把轉(zhuǎn)矩波動限制在給定值的容差范圍內(nèi)，達到轉(zhuǎn)矩的直接控制。2.5.3 開關(guān)信號選擇單元對應(yīng)于磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的兩種形式，空間電壓矢量開關(guān)信號的選擇也有兩種形式。一種是通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩的兩點式或三點式調(diào)節(jié)信號和定子磁鏈所在的區(qū)間，確定所需施加的電壓空間矢量，從而將所有狀態(tài)列表依次列出，最后通過所選空間電壓矢量輸出開關(guān)脈沖信號輸出給逆變器。另一種是根據(jù)磁鏈

37、和轉(zhuǎn)矩的 pi 調(diào)節(jié)得到的參考的空間電壓矢量的兩個分量，合成所需要的參考的空間電壓矢量。但是，此時的空間電壓矢量是旋轉(zhuǎn)坐標系下的，還需疊加磁鏈旋轉(zhuǎn)角度，將其轉(zhuǎn)換成靜止坐標系下的空間電壓矢量，最后通過 svpwm 方式輸出開關(guān)脈沖信號給逆變器。2.6 低速范圍內(nèi)的解決方案本系統(tǒng)工作在低速范圍內(nèi)。在這個范圍內(nèi)，由于轉(zhuǎn)速低（包括零轉(zhuǎn)速），定子電阻壓降比較大，可能造成磁鏈波形畸變，在低頻時保持轉(zhuǎn)矩和磁鏈基本不變等等。對于以上的問題必須實現(xiàn)如下控制目的。（注：在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)異步電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈計算數(shù)學(xué)模型仍然實用）(1)控制定子磁鏈為圓形軌跡，而不用六邊形軌跡。(2)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器多功能地調(diào)節(jié)

38、工作。(3)用符號比較器確定區(qū)段。(4)調(diào)節(jié)每個區(qū)段的磁鏈量。為實現(xiàn)以上四點必須對應(yīng)采取如下措施：(1)每個區(qū)段電壓狀態(tài)的選擇由于電壓型逆變器只有六種工作電壓狀態(tài)，僅能輸出六種電壓空間矢量。定子磁鏈空間矢量的運動方向由電壓空間矢量的方向確定，只能在六個方向上運行。如果要產(chǎn)生多于六邊的多變形的磁鏈軌跡，就必須通過多個電壓空間矢量的組合來形成?？刂屏呅未沛溰壽E只需在每個工作區(qū)段接通“工作電壓”或“零電壓”即可。要實現(xiàn)圓形磁鏈軌跡可以用足夠多的多邊形來近似圓形磁鏈軌跡。在每個工作區(qū)段采用四個工作電壓狀態(tài)（0，60，60120）和兩個零電壓狀態(tài)結(jié)合使用（具體使用過程在 3.8.1 節(jié)介紹）來實現(xiàn)足夠

39、多的多邊形軌跡。(2)磁鏈與轉(zhuǎn)矩之間的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)低速情況下（一般指 15額定轉(zhuǎn)速以下）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的組成部分不變，而磁鏈調(diào)節(jié)器卻不一樣。此時磁鏈的模為：（六邊形磁鏈的模：）。在222cba低速情況下磁鏈調(diào)節(jié)器如（圖 2.9）圖 2.9 磁鏈與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)器其中10873. 13622k當轉(zhuǎn)速大于 15額定轉(zhuǎn)速，開關(guān)切換到 a 處，執(zhí)行六邊形磁鏈軌跡，當轉(zhuǎn)速小s于 15時開關(guān)切換到 b 處，執(zhí)行圓形磁鏈軌跡。磁鏈開關(guān)信號與所需的電壓狀態(tài)sq關(guān)系如下：0 時，不需要接通工作電壓q1 時，接通60電壓q1 時，接通60電壓q歸納起來，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器與磁鏈調(diào)節(jié)器的協(xié)調(diào)控制關(guān)系為：由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器決定應(yīng)該接通的是零狀態(tài)

40、電壓還是工作電壓，在接通工作電壓的時間內(nèi)來選擇接通的是0、60還是+60電壓。第 3 章 異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的建模與仿真3.1 仿真軟件 matlab 簡介3.1.1matlab 語言matlab 語言是由美國new mexico 大學(xué)的cleve moler 于1980 年開始開發(fā)的，1984 年由cleve moler 等人創(chuàng)立的mathworks 公司推出了第一個商業(yè)版本。matlab 語言的兩個最顯著特點，即其強大的矩陣運算能力和完美的圖形可視化功能，使它成為國際控制界應(yīng)用最廣的首選計算機工具?，F(xiàn)在，matlab 語言不僅廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域，也應(yīng)用于其它的工程和非工程領(lǐng)域。在控制

41、界，很多知名學(xué)者都為其擅長的領(lǐng)域?qū)懗龉ぞ呦?，而其中很多工具箱已?jīng)成為該領(lǐng)域的標準。與fortran 和c 等高級語言比較，matlab 的語法規(guī)則更簡單，更重要的是其貼近人思維方式的編程特點，使得用matlab 編寫程序非常方便和簡捷。正是憑借matlab的這些突出的優(yōu)勢，它現(xiàn)在已成為世界上應(yīng)用最廣泛的工程計算軟件。在美國等發(fā)達國家的大學(xué)里matlab 是一種必須掌握的基本工具，而在國外的研究設(shè)計單位和工業(yè)部門，更是研究和解決問題的一種標準軟件。在國內(nèi)也有越來越多的科學(xué)技術(shù)工作者參加到學(xué)習(xí)和倡導(dǎo)這門語言的行列中來。在大家的共同努力下，matlab 正在成為計算機應(yīng)用軟件中的一個新熱點。3.1.

42、2 軟件構(gòu)成matlab 軟件主要由主包、simulink 和工具箱三大部分組成。matlab 主包包括以下五個部分：(1)matlab 語言matlab 語言是一種基于矩陣/數(shù)組的高級語言，它本身具有流程控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出，并且具有面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計特性。用matlab 語言可以迅速地建立臨時性的小程序，也可以建立復(fù)雜的大型應(yīng)用程序。(2)matlab 工作環(huán)境matlab 工作環(huán)境集成了許多工具和程序，用戶用工作環(huán)境中提供的功能完成他們的工作。matlab 工作環(huán)境給用戶提供了管理工作空間內(nèi)的變量和輸入、輸出數(shù)據(jù)的功能，并給用戶提供了不同的工具用以開發(fā)、管理、調(diào)試m 文件和

43、matlab 應(yīng)用程序。(3)句柄圖形句柄圖形是matlab 的圖形系統(tǒng)。它包括一些高級命令，用于實現(xiàn)二維和三維數(shù)據(jù)可視化、圖像處理、動畫等功能；還有一些低級命令，用來定制圖形的顯示以及建立matlab 應(yīng)用程序的圖形用戶界面。(4)matlab 數(shù)學(xué)函數(shù)庫matlab 數(shù)學(xué)函數(shù)庫是數(shù)學(xué)算法的一個巨大集合，該函數(shù)庫既包含了諸如求和、正弦、余弦、復(fù)數(shù)運算之類的簡單函數(shù)；也包含了矩陣轉(zhuǎn)置、特征值、貝塞爾函數(shù)、快速傅立葉變換等復(fù)雜函數(shù)。(5)matlab 應(yīng)用程序接口（api）matlab 應(yīng)用程序接口是一個matlab語言同c和fortran等其它高級語言進行交互的庫。包括從matlab 調(diào)用其它

44、程序（動態(tài)鏈接），把matlab作為計算引擎來調(diào)用，還包括讀寫matlab數(shù)據(jù)文件（mat文件）。simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)仿真的交互式系統(tǒng)。simulink允許用戶在屏幕上繪制框圖來模擬一個系統(tǒng)，并能夠動態(tài)地控制該系統(tǒng)。simulink采用鼠標驅(qū)動方式，能夠處理線形、非線形、連續(xù)、離散、多變量以及多級系統(tǒng)。此外，simulink 還為用戶提供了兩個附加項：simulink extensions（擴展）和blocksets（模塊集）。simulink extensions是一些可選擇的工具，支持在simulink環(huán)境中開發(fā)的系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，包括：simulink acceleratorre

45、al-time workshopreal-time windonws targetstateflowblocksets 是為特殊應(yīng)用領(lǐng)域中設(shè)計的simulink模塊的集合。blocksets包括以下幾個領(lǐng)域的模塊集：dsp（數(shù)字信號處理）fixed-point（定點）nonlinear control design（非線形控制設(shè)計）communications（通信）工具箱是matlab 用來解決各個領(lǐng)域特定問題的函數(shù)庫，它是開放式的，可以應(yīng)用，也可以根據(jù)自己的需要進行擴展。matlab提供的工具箱為用戶提供了豐富而實用的資源，工具箱的內(nèi)容非常廣泛，涵蓋了科學(xué)研究的很多門類。目前，已有涉及數(shù)學(xué)

46、、控制、通信、信號處理、圖像處理、經(jīng)濟、地理等多種學(xué)科的二十多種matlab 工具箱投入應(yīng)用。這些工具箱的作者都是相關(guān)領(lǐng)域的頂級專家，這當然地確定了其權(quán)威性。應(yīng)用matlab 的各種工具箱可以在很大程度上減小用戶編程時的復(fù)雜度。3.2 仿真模型搭建及參數(shù)設(shè)置仿真電機參數(shù)如下:額定功率為 2.354kw，額定電壓為 380v，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min;轉(zhuǎn)動慣量為 0.09kgm2，極對數(shù)為 2，定子電阻為 0.54，轉(zhuǎn)子電阻為0.79，定子電感為 2.8mh，轉(zhuǎn)子電感為 2.8mh，定轉(zhuǎn)子互感為 66.24mh，頻率為工頻50hz，取摩擦系數(shù)為 0。下圖為直接轉(zhuǎn)矩仿真模型。圖 3.1 直接轉(zhuǎn)

47、矩仿真模型仿真主要環(huán)節(jié)：(1).磁鏈滯環(huán) 磁鏈滯環(huán)容差由思密特觸發(fā)器設(shè)置，在仿真過程中，可通過設(shè)置不同的滯環(huán)容差重復(fù)仿真，以致達到仿真最佳效果。圖 3.2 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器模型(2).磁鏈環(huán)節(jié) 磁鏈環(huán)節(jié)采用模型，將經(jīng)過 32 變換的定子三相電流電壓進行計算，得到轉(zhuǎn)iu 矩 t。圖 3-3 磁鏈計算環(huán)節(jié)模型 (3).轉(zhuǎn)矩滯環(huán)通過對觀測轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速的計算得到給定轉(zhuǎn)矩，再與磁鏈環(huán)節(jié)所計算出來的轉(zhuǎn)速進行比較，得到 st。圖 3-4 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器模型3.3 仿真結(jié)果及分析電機在空載，給定轉(zhuǎn)速，仿真時間為 3s 時仿真波形如圖 3.5 所示，分別為三相定子電流波形，轉(zhuǎn)速波形，轉(zhuǎn)矩波形圖 3.5 三相定子

48、電流波形，轉(zhuǎn)速波形，轉(zhuǎn)矩波形由圖可以看出，系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，超調(diào)量很小，很快轉(zhuǎn)速即達到指定的轉(zhuǎn)速，啟動時，轉(zhuǎn)矩同時得到穩(wěn)定值，在 0 nm 值附近波動；0.8s 后定子電流到穩(wěn)定范圍。第 4 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計4.1 控制電路結(jié)構(gòu)簡介本控制系統(tǒng)采用了ti 公司生產(chǎn)的tms320lf2407a dsp 芯片，用單片dsp實現(xiàn)包括轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制在內(nèi)的所有控制功能，并用dsp內(nèi)部集成的can通訊單元實現(xiàn)與多能源控制器的通訊?？刂齐娐放c電機以及主電路的外部接口如圖4.1所示。圖4.1 控制電路4.2dsp(tms320lf2407a)tms320lf2407a是tms320lf240 x系列ds

49、p控制器的典型代表。它為電氣自動化系統(tǒng)的數(shù)字控制提供了便利的手段。tms320lf2407執(zhí)行速度達30mips，幾乎所有的指令都可在33ns的單周期完成。如此高的性能可以對非常復(fù)雜的控制算法進行實時運算，如自適應(yīng)控制和卡爾曼濾波等，此外，還可支持非常高的采樣率，以減小循環(huán)延時。tms320lf2407a具有用于高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的結(jié)構(gòu)特點，同時還具有單片電機控制應(yīng)用方案所需的外設(shè)功能。tms320lf240 x采用高性能靜態(tài)cmos制造工藝，使得供電電壓降為3.3v，功耗極低；此外，還具有幾種進一步降低功率的省電方式。作為系統(tǒng)管理器，dsp必須具備強大的片內(nèi)io和其它外設(shè)功能。

50、tms320lf2407a片內(nèi)的事件管理器與一般的dsp芯片不同。面向應(yīng)用優(yōu)化的外設(shè)單元和高性能dsp內(nèi)核的結(jié)合，可以為所有的電機類型提供高速、高效和全變速的先進控制技術(shù)。在該事件管理器中包括特殊的pwm產(chǎn)生功能，特殊的附加功能包括可編程的死區(qū)功能和空間矢量pwm狀態(tài)機，后者可為三相電機在功率晶體管開關(guān)機制中提供了迄今為止最高的功效。具有獨立的向上下計數(shù)器，每一個都有屬于它自己的比較寄存器，可以支持產(chǎn)生非對稱的和對稱的pwm波形。多路捕獲輸入中的兩路可以直接捕獲光電編碼器的正交編碼脈沖信號。tms320lf2407a還提供控制器局域網(wǎng)絡(luò)(can)2.0模塊，可以利用它方便的搭建can網(wǎng)，完成多

51、芯片的通信任務(wù)。tms320lf2407 can控制器模塊是一個完全的can控制器。該控制器是一個16位的外設(shè)模塊，它完全支持can 2.0b協(xié)議，具有6個郵箱，可用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。以下是tms320lf2407a的一些特點：(1)基于tms320c2xx dsp的核心cpu(1.1)32位的中央算術(shù)邏輯單元(calu)(1.2)32位加法器(1.3)16位x16位并行乘法器，32位乘積(1.4)三個定標移位寄存器(1.5)8個16位輔助寄存器，帶有一個專用的算術(shù)單元，用來作數(shù)據(jù)存儲器的間接尋址(2)存儲器(2.1)片內(nèi)1.5k字的數(shù)據(jù)程序ram；544字的darkt和2k字saram(2.

52、2)片內(nèi)高達32k字的flash程序存儲器(2.3)192k字16位的最大可尋址存儲器空間(lf2407)：64k字的程序空間，64k字的數(shù)據(jù)空間，64k字的io空間(2.4)有軟件等待狀態(tài)發(fā)生器的外部存儲器接口模塊，具有16位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線(2.5)支持硬件等待狀態(tài)(3)程序控制(3.1)4級管道操作(3.2)8級硬件堆棧(3.3)5個外部中斷：電機驅(qū)動保護中斷、復(fù)位和兩個可屏蔽中斷(4)指令系統(tǒng)(4.1)與tms320家族的c2x,c2xx,c5x定點產(chǎn)品在源代碼級兼容(4.2)單指令重復(fù)操作(4.3)單周期的乘法加法指令(4.4)程序數(shù)據(jù)管理的存儲器塊移動指令(4.5)牽引尋址

53、功能(4.6)基于快速傅立葉變換的位反轉(zhuǎn)索引尋址功能(5)電源(5.1)靜態(tài)cmos技術(shù)(5.2)3種低電源模式以降低電源損耗(6)仿真：與片內(nèi)掃描仿真邏輯相連的ieee標準1149.1測試訪問端口(7)速度：33ns的指令周期，多數(shù)指令為單周期(8)兩個事件管理器，每個包括：(8.1)8個16位的比較脈寬調(diào)制通道(8.2)兩個16位通用定時器，有4種工作模式(8.3)可編程的pwm死區(qū)控制功能(8.4)16通道ad轉(zhuǎn)換器(8.5)3個捕獲單元，有正交編碼器脈沖接口功能(9)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為50ons(10)40個獨立可編程或復(fù)用的通用io引腳(11)基于鎖相環(huán)的時鐘模塊(12)

54、看門狗定時器模塊(13)串行通訊接口(14)串行外部設(shè)備接口4.3 3.3v dsp 與 5v 邏輯器件的混合接口問題4.3.1 邏輯電平不同，接口時出現(xiàn)的問題現(xiàn)在越來越多的系統(tǒng)要求使用體積小、功耗低、耗電小的芯片，數(shù)字系統(tǒng)的工作電壓已經(jīng)從5v降至3.3v甚至更低（例如2.5v和1.8v標準的引進）。但是目前仍有許多5v 電源的邏輯器件和數(shù)字器件可用，因此在許多設(shè)計中3v（含3.3v）邏輯系統(tǒng)和5v邏輯系統(tǒng)共存,而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標準的引進，不同電源電壓邏輯器件間的接口問題會在很長一段時間內(nèi)存在。本系統(tǒng)中dsp 的電源電壓標準為3.3v,而大部分的外圍器件的電源

55、都是傳統(tǒng)的5v 標準，這個問題是設(shè)計中首先要考慮和解決的。在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源電壓的邏輯器件相互接口時會存在以下3個主要問題：加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓的限制問題；兩個電源間電流的互串問題；必須滿足的輸入轉(zhuǎn)換門限電平問題。器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。這些引腳在芯片內(nèi)部可能通過有二極管或其他元件接到vcc，如果接入的電壓過高，則電流將會通過二極管或其他元件流向電源。例如3.3v器件的輸入端接上5v信號，則5v電源將會向3.3v電源充電。持續(xù)的電流將會損壞二極管和電路元件。必須注意的是：不管是在3.3v的工作狀態(tài)或是0v的等待狀態(tài)都不允許電流流向vcc。另外，用5v

56、的器件來驅(qū)動3.3v的器件有很多不同情況。在各種情況下，驅(qū)動器都必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平，并要有足夠的容限和保證不損壞電路元件。要合理的選用接口電路，首先要先了解各種電路和器件的參數(shù)，如表4.1 所示。表4.1 各種電路和器件參數(shù)4.3.2 系統(tǒng)接口實現(xiàn)方法控制系統(tǒng)的核心器件是dsp，dsp要與外部芯片的輸入輸出口連接。本系統(tǒng)選用的tms320lf2407a dsp屬于cmos芯片，主電源電壓vdd標準值為3.3v。當電源電壓為標準電壓時高電平輸入電壓范圍為大于2v小于vdd0.3v,低電平輸入電壓小于0.8v,vdd=3.0v, ioh=iohmax的測試條件下，高電平輸出電壓范圍為大于

57、2.4v小于vdd，低電平輸出電壓小于0.4v。而外部輸入輸出可能有5v，15v，24v多種電壓等級，這就需要合理的選擇接口器件和電路元件參數(shù)。從上面dsp的輸入輸出電壓標準和表4.1可以看出，dsp的輸出驅(qū)動5v ttl器件的輸入端應(yīng)當是沒有困難的，dsp實際上能輸出3v左右擺幅的電壓，對5v ttl輸入的高電平2v門限是容易滿足的，低電平輸出也是滿足要求的，但是dsp的輸出驅(qū)動5v cmos器件的輸入端是有問題的，dsp 3v輸出是不能可靠地驅(qū)動5v cmos輸入的，在最壞的情況下，當5.5vcc =5.5v時cmos器件所要求的vin至少是3.85v，而3.3v dsp的輸出高電平電壓是

58、不能達到的。反過來，dsp輸入端可以承受5v ttl器件的輸出端的電壓，當一個5v ttl 器件的輸出為高電平時,內(nèi)部壓降限制了輸出電壓。典型情況是vcc-2vbe，即約3.6v。這樣工作通常不會引起5v電源的電流流向3.3v電源，當然最好是弄清所選用的5v ttl 器件的具體輸出端結(jié)構(gòu)和特性。而5v或電源更高的cmos 器件的輸出端的高電平電壓對dsp 的輸入端來說電壓過高,不能直接相連。面對不能滿足驅(qū)動條件的情況,一般的解決方法是使用電平移位器件。74lvc4245 是一種常用的電平移位器件。74lvc4245 是一種雙電源的電平移位器。5v端用5v電源作為vcca，而3v端則用3v作為v

59、ccb。它的功能類似于常用的收發(fā)器74lvc245，所不同的是用兩個電源而不是一個電源。74lvc4245 的電平移位在其內(nèi)部進行。雙電源能保證兩邊端口的輸出擺幅都能達到滿電源幅值，并且有很好的噪聲抑制性能。因此該器件用來驅(qū)動5v cmos器件的輸入是很理想的。它的缺點是增加了成本和功耗。針對本系統(tǒng)輸入輸出開關(guān)量特別多的實際情況，大部分外部輸入電平轉(zhuǎn)換的工作都在和外部輸入輸出光耦隔離接口電路中完成,電路原理圖如圖4.2所示。這樣不需要為電平轉(zhuǎn)換增加額外的器件，簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了成本。圖4.2 外部輸入電平轉(zhuǎn)換電路原理圖dsp輸出的電平轉(zhuǎn)換電路采用sn74hc05，它是一個集電極開路緩沖器。

60、sn74hc05集電極開路的輸出端可以方便的和不同電壓等級的外電路接口，電路原理圖如圖4.3所示，其中sn74hc05電源電壓為3.3v。圖 4.3 sn74hc05 電平轉(zhuǎn)換電路4.4 轉(zhuǎn)子速度的測量在異步電機的轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制系統(tǒng)中，電機轉(zhuǎn)子速度都是一個必需的參數(shù)，本系統(tǒng)采用日本多摩川公司生產(chǎn)的oih 482500c/tts5214 n566增量式光電編碼器對電機速度進行測量，它的輸出信號有a、b、z 三相，如圖4.4 所示。a、b相在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一周的時間內(nèi)都產(chǎn)生2500個脈沖信號，但波形相位相差90，根據(jù)判斷是a相波形超前還是b相波形超前就可以確定電機的轉(zhuǎn)向，根據(jù)