[优秀毕业论文]电动汽车异步电动机驱动系统的的研究.doc

毕 业 论 文电动汽车异步电动机驱动系统的的研究系 别 电气工程系 专 业 机电一体化 班 级 机电3082 姓 名 学 号 摘要随着 我 国 汽车保有量急剧增加，能源和环境问题将更加突出。人们迫切需要寻求一种低排放和节约能源的交通工具。电动汽车(EV)以其在节能和环保方面的巨大优势，已成为世界各国竞相研究的重要热点，必将成为21世纪重要的交通工具之一。电机 驱 动 系统是电动汽车最关键的部分之一，它将决定整车的性能.20世纪90年代以后，国外电动汽车开始使用的交流驱动系统来取代直流驱动系统，已成为驱动系统的主流。目前，我国交流异步电机驱动系统的研究在满足电动汽车特殊要求方面还处于研究阶段。本论 文 根 据异步电机的多变量数学模型，运用电机统一理论、机电能量转换以及在坐标变换理论基础上发展起来的矢量控制理论，深入地研究电动汽车交流异步电机驱动系统控制的技术与方法。研究 过 程 中主要采用转子磁场定向的矢量控制方法，通过矢量运算，做到分别控制dq0旋转坐标中的磁场电流分量lm与转矩电流分量1T，对交流异步电机实现类似直流电动机的转速控制与调节，以获得快速响应和精确控制的目标.为 实现 电 动汽车驱动系统控制要求快速敏捷、实时性高等特点，研究中选用了TI公司的电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407作为系统的核心控制芯片、高性能的智能功率模块(IPM)逆变功率器件，设计了控制系统的主回路、控制电路。在设计过程当中考虑了电磁干扰和电磁兼容问题。为验证设计系统的可行性，运用MATLAB6.0中的动态仿真工具SIMULINK对系统的动静态性能进行了仿真研究，仿真结果表明该系统具有良好的速度响应和位置控制能力。研究 中 设 计开发的以高性能的DSP芯片TMS320LF2407为核心、基于矢量控制原理的电动汽车异步电机驱动系统，提出用一种新型的PWM调制方法一电压空间矢量法(SVPWM)实现对异步电机的高性能可靠控制关键词: 矢量控制 电压空间矢量法 数字信号处理器 目 录目录摘要1第一章绪论41.1引言41.2国内外电动汽车的发展现状41.3电动汽车电机驱动系统的概述51.4本课题的意义和内容9第二章 矢量控制92.1矢量控制原理92.2矢量控制方式11第三章DSP和PWM技术123.1 DSP123. 2 PWM技术15第四章 汽车电子调节器174.1单片式CM0S汽车电子调节器17第五章系统抗干扰和电磁兼容问题235.1电磁干扰(EMI)分析235.2电磁兼容性24第六章矢量控制系统的仿真研究286.1 MATLAB6.0仿真工具简介28参考文献30第一章 绪论1.1引言目前，全 世界汽车石油消耗量占世界石油消耗量的一半以上，而石油资源仅能供人类使用43年左右，不到21世纪中叶，汽车燃用石油的时代将会结束。我国是一个石油匾乏的国家，从1993年起，我国己成为石油“净进口国”，2000年我国的石油进口量占总用量的30%以上。据世界能源组织预测，2010年中国石油进口量将超过1.5亿吨、占总用量50%以上，到2002年进口石油量将超过4亿吨、占80%以上。燃油汽车排放的CO, NOx, HC, Pb, S仅、CO 0,，等.已成为大气污染的主要因素。随着汽车保有量集聚增加，能源和环境问题将更加突出，我们迫切需要寻求一种低排放和节约能源的交通工具，开发电动汽车是解决这一问题的有效途径之一80 年代 以 来，电动汽车0-c:a的研制热潮在全世界范围内兴起，其中在欧洲、北美和日本等部分国家水平比较高、发展较快，如法国标志一雪铁龙，德国BWM,VW，美国的三大汽车公司，日本的本田、丰田和日产等，正逐步由样车试制向小批量商业化生产的方向发展。我国从1991年起，己将电动汽车的研制开发列入“八五”重点科技攻关项目，而到1996年，科技部更将其列为“九五”及跨世纪国家重大科技产业工程。近年来，我国正在不断地开发一些高技术、高标准的电动汽车及其系统，如电动大客车、微型客车、电动轻型客车、中型电动小客车等。电动 汽 车 包括纯电动汽车(EV-E lectricalV ehicle),混合电动汽车(HEV-Hybrid Electrical Vehicle)和燃料电池汽车(FCV-Fuel Cell Vehicle)三种型式，它是理想的零排放或低排放车辆。纯电动汽车在发展中受到了技术上的制约，有限的行驶里程和较长的充电时间使得它们的普及遇到困难。燃料电池汽车具有低排放、低噪音，其甲醇燃料有广泛的来源，以及可再生等重大优势，已成为世界各大汽车集团新世纪激烈竞争的焦点，被喻为21世纪改变人类生活的十大高科技之首，但产业化仍需要较长的时间。混合动力电动汽车是将新技术和老技术结合的最可行的产物，它同时具有纯电动汽车和传统内燃机汽车的优点，既具有纯电动汽车的高效率和低排放的性能，还具有传统内燃机汽车的行驶里程长和快速补充燃料的性能。混合电动汽车成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案。1.2国内外电动汽车的发展现状90 年 代 以 来 ，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽车 。日本丰Hl汽车公司率先于1997年12月将混合动力型prius轿车投放本国市场， 2000年初又开始投放北美市场，并将月产由1000辆调升到月产2000辆，三 年内销售了45万辆。计划到2005年时，混合动力汽车达到年产30万辆。在日本 ，除了丰田公司以外，本田、日产等大公司也分别研制了自己的混合动力汽车 21DI 11 1，其中本田公司己投产Insight混合动力汽车，被美国环保总署评为200 1年美国十大节能汽车的第一名，第二名则为丰m汽车公司的prius混合动力 汽车。美 国 能 源 部 与三大汽车公司于1993年签订了混合动力汽车开发合同，启动下一 代汽车合作伙伴(PNGV)项目，迄今己开发出多种形式的混合动力电动汽车，例如克菜斯勒的ESX3、福特的Prodigy 2000、通用的Plecept和Benz等，PNGV项目在HEV性能仿真、汽车集成动力模块等技术领域取得了显著成就。欧洲 各 大 汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的混合动力电动汽车，法国PSA集团先后推出了贝灵格型和XSARA型混合动力电动汽车，德国的BOSCH等著名的零部件公司也积极与大汽车公司联手开发混合动力电动汽车技术。专家普遍评价:混合动力电动汽车是21世纪初汽车产业界的一场革命，只有混合动力电动汽车刁能满足新世纪之初对汽车的环保与节能要求。在 国 内 ，“电动汽车技术研究”是国家科委“八五”科技攻关项目。在清华大学的组织下，研制出7辆16座电动轻型客车;“九五”期间，东风汽车公司承担并完成了国家重大科技攻关项目“电动轿车概念车设汁”的整车(BF)研制工作。“九五”末期我国在电动汽车的三大关键技术领域(电池、电机、电控系统)取得突破。科技部己将电动汽车产业化列为“十五”国家863重大科技攻关项目，“十五”期间，国家计划投入近10亿元来支持电动汽车的前瞻性研究。要求混合动力电动汽车实现批量生产，并通过国家汽车产品型式认证。在 “九 五 ”科技攻关计划的推动下，我国开发出多种电控发动机，在电机控制方面取得了重大突破，电池管理系统的研究也取得一定的进展。但在双能量源混合动力电动汽车动力系统的自动控制方面刚刚起步，包括控制算法的研究和控制器的开发，还未有完 整的系统。1.3电动汽车电机驱动系统的概述1.3.1电动汽车电机驱动系统结构电动 汽 车 是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。它是涉及到机械、电力、电子、计算机控制等多种学科的高科技产品。电动汽车的关键技术包括蓄电池技术及电池管理，车体技术，电机及其驱动控制系统。电动汽车是由车体、电机驱动系统、储能电池和能量管理系统组成的，其中电机驱动系统是最关键的部分之一。电动 汽 车 驱动系统(:.1-(a51(SAI(221 (4) 61”由牵引电机、控制系统(包括电机驱动器、控制器及传感器)、机械减速及传动装置、车轮等构成。控制系统接收加速踏板(相 当于燃油车的油门)、刹车和PDRN(停车、前进、到车、空挡)、转向盘的输出信号，经过信号处理，输入到电机驱动器，控制驱动电机转速和转矩，再通过机械传动装置，驱动车轮。1.3.2电动汽车工况对电机驱动系统的特殊要求电机 驱 动 系统除了具有普通电气传动的共性外，还应满足电动汽车特定用途的要求。电动汽车是一种在陆地上露天运行、结构紧凑、具有车载能源的行走机械，工况复杂。既要能高速飞驰，又要能频繁启动、制动、上下坡、快速超车、紧急刹车;既要能适应雪天、雨天、盛夏、严冬、雪后撒盐等恶劣天气条件，又要能承受道路的颠簸震动，还要保证司乘人员的舒适与安全。电动汽车的核心，是要用电气传动系统取代机械推进系统，用电池代替汽油作为车载能源，在零排放或少排放的前提下，满足燃油汽车各项性能、价格指标的要求。因此，所设计的电机驱动系统应该满足以下几点要求51(1) 基 速 以下大转矩以适应快速启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等要求，基速以上小转矩、恒功率、宽范围以适应最高车速和公路飞驰、超车等要求。(2) 整 个 转矩/转速运行范围内的效率最优化，以谋求电池一次充电后的续驶里程尽可能长。(3) 电 机 及电控装置结构坚固、体积小、重量轻、抗颠簸振动。(4) 操 纵 性能符合司机驾驶习惯，运行平稳，乘坐舒适，电气系统失效保障措施完善。(5) 单 位 功率的系统设备价格尽可能的低。各种 电 动 汽车所要求的驱动系统电机输出特性曲线如图1-1所示。可见，电动汽车驰动电机典型的输出特性主要包括两个工作区:(1)基速以下的恒转矩工作区，该区间主要保证电动汽车的载重能力。(2)基速以上的恒功率工作区，该区间保证电动汽车有充足的加速空间。中型车图 1- 1 不 同 汽 车的 驱 动 输 出 特 性Fi g. 1 -1 D r iv e o ut pu t t ra i t of d i ff er ent vehicle电动 汽 车 用电动机与一般工业用电机的比较:电动 汽 车 驱动电机需要有4-5倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求;而工业驱动电机只要求2倍过载就可以了。电动 汽 车 驱动电机的最高转速要求达到在公路上巡航时基速的4-5倍;工业驱动电机只要求达到恒功率时基速的2倍。电动 汽 车 驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计;而工业电机通常只根据典型的工作模式进行设计即可。电动 汽 车 驱动电机要求有高的功率密度和好的效率图(在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率)，从而能够降低车重，延长续驶里程:而工业驱动电机通常对功率密度、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。电动 汽 车 驱动电机要求可控性高、稳态精度高、动态性能好;而工业驱动电机只有某一种特定的性能要求。电动 汽 车 驱动电机被安装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气及频繁振动等的恶劣的工作条件下;而工业驱动电机通常在某个固定的位置工作。1.3.3电动汽车驱动系统中各种电机性能研究目前 在 电 动汽车中，主要的电机驱动系统itt(3211Y:1(491大体也可以分为直流电机调速系统、异步电机调速系统、永磁同步电机调速系统和开关磁阻电机调速系统.下表是对各种主要驱动电机及其驱动系统的性能比较:表 1- 1 驱 动 电 机性能比较Table/-1 Drive motor capability compare直流电机(O M)异步电机(I M)永磁同步电机(P MSM )开关磁阻电机(S R M )优点控制简单，只用电压控制，不需检测磁极位置，小容量系统造价低结构简单造价低廉，可高速运行，调速范围大，转动惯量小，维护简单，技术成熟体积小， 重量轻， 功率密度大。低速输出转矩人，效率高，维护简单结构简单、牢固。效率高，起动转矩大，价格低，免维护缺点有整流电刷，结构复杂，不适合高速、大转矩运行，效率低，环境适应性差，维护难，容量增大造价大幅增加且制造困难控制复杂，容量小时效率降低，制动困难高速运行较IM复杂，需检测转子磁极位置，永磁体有退磁问题，造价较高噪音大，输出转矩脉动大从各 驱 动 电机性能特点看，直流电机驱动系统由于其控制简单，动态性能好，70年代就已经实用化。随着电力电子技术和电机矢量控制理论的完善，交流驱动系统的优越性日益明显。相对于直流电机而言，交流电机具有体积小、功率大、效率高、结构简单、易于维护等优点，同时随着现代交流调速技术的发展，其动态性能己经达到或超过了直流电机的水平。交流电机克服了直流电机因换向器带来的缺点，因此得到了广泛的应用，交流驱动系统正逐步取代直流驱动系统成为电动汽车的主流驱动系统.表 1-2 主 要 公 司电 动 汽 车 驱 动 电 机 资料Table 1-2 Drive motor data of EV in leading company公司名称车型推出年份电机类型电机功率(k W )电机转速(rpm)通用汽车EV-I轿车1996 IM 100 7000/13000本III EV PLUS轿车1998 PM SM 49 1700/8750厄桑Altra EV旅行轿车1998 PMSM 62 13000人众G OLF IV概念车1998 IM 52.51150 6000112000沃尔沃FL6货车1997 IM 65/185 4000/8000,I5铁龙SAXO轿车DC 11/20 1600/5500由表 卜2 看出，在电动汽车驱动系统中，各大公司主要使用的是交流电机，可以见 ，今后绝大部分的电动汽车都将采用交流电机驱动。而在电动汽车交流驱动系统，采 用交流异步电机和采用永磁同步电机是两大主流倾向。交 流 异 步电机以其结构简单坚固、成本低廉、工作可靠、维护方便等突出优点，经 被广泛应用在电动车矢量控制系统中。与交流异步电机相比较，永磁同步电机体沙 ，重量轻，功率密度大，低速输出转矩大，效率高，维护简单;但其高速运行与步电 机复杂，需检测转子磁极位置，永磁体有退磁问题，造价高。目前在电动汽车应 用较多的是交流异步电机。.1.3.4电 机主要调速控制方法总体 上 ， 电动汽车对其电机驱动系统的性能要求较高，主要包括:(1 ) 调 速范围宽，无级变速:(2 ) 在 恒转矩，恒功率区都可长期稳定运行并保持高效率:(3 ) 动 态响应快，系统鲁棒性好。传 统的交流驱动系统的调速方式有:变压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速、级调速、变极调速等等，但这些调速方式都存在着明显的局限。随着交流变频技术、率电子器件和微处理器技术的迅速发展，交流电机控制技术也取得了突破性进展.L频调速成为当前交流调速技术的主要发展方向，在电动汽车电气驱动系统中得到广应用。常用 的电机控制方法主要分为标量控制方法、矢量控制方法以及直接转矩控制。、电动汽车对功率器件，1“的要求:在过 去几十年里，功率半导体器件技术有了很大的发展。这些功率器件在功率额值以及性能方面有了革命性进展，在现有的功率器件中，功率二极管作为自由开关用而其他功率器件，如晶闸管、GTO BJT MOSFET IGBT SIT SITH MCT, IPM等，;是外部可控的，对高性能的功率器件的研究正在进行。在选 用电力驱动的功率器件时，必须考虑以下几项要求:额定 值 额定电压根据蓄电池铭牌规定的电压、充电时的最大电压和再生制动的最大电压确定，而电流的额定值取决于电动机额定功率的峰值以及所并联的功率件的个数，当这些器件并联时，其导通状态和开关特性必须匹配好;转换 效率 开关频率较高，可减少滤波器的体积，并有利于满足电磁干扰限制1要求。当开关频率高于20kHz时，可避免出现噪声;功率 损耗 导通时的压降或损耗应降到最小，同时开关损耗应尽可能小。由于的开关频率会增加开关损耗，开关频率在IOkHz时可使能量密度，嗓声及电磁干达到最优。漏电电流应限制在1mA以内，以使断开状态的损耗最小。基极 、门极的可驱动性 期间应考虑到简单和安全的基极或门极驱动。相应的驱动信号或为触发电压、电流或为线性电压、电流。电压驱动模式能耗非常的低，通常被优先采用。态特 性 期间的动态特性应足够的好。以允许有较高的dudt和较高的didt能力，并容易进行并联。内部的续流二极管应该和外部的主器件具有相似的动态特性;坚 固 功率器件应该有足够的抗过载能力以承受过电压时的巨大能量，并能在过流时通过快速熔断半导体保险丝加以保护，它应不用和尽量少用缓冲电路。由于电动汽车频繁的加速减速，功率器件会引起频繁的热循环冲击，它应在这种条件下可靠地工作;成 熟性 与 成本 由于功率器件的成本占整个电动汽车驱动系统的大部分，所以功率器件应该尽量经济。最近的一些功率器件如高性能的MCT等，还不能成熟的应用于电动汽车;.1.3.5电动汽车对逆变器性能的要求:功率 回 路 就是逆变装置，用来给电机提供电源，通过编写电机的控制软件，可以实现对电机的转速、转矩及位置的控制。按照 逆 变 器直流滤波环节的不同结构，可以将逆变器分为电压源逆变器(VSI)和电流源逆变器(CSI) 两类。其中，电流源逆变器由于直流滤波电感的存在.输出电压可迅速反向，因而无需增加设备即可实现再生能量回馈;但也因为电感的存在，使得逆变器的动态性能受到限制。由于电流源逆变器输出电流非正弦，转矩脉动问题使其低速时的性能较差.而电压源逆变器由于其简单的拓扑结构、低廉的成本、较佳的电流响应性能，结合磁场定向控制技术可实现电机大范围平滑调速等优良性能，更适用于电动汽车需要的高性能驱动系统，因而也是本课题主要讨论的逆变器。1.4本课题的意义和内容鉴于我国电动汽车电机驱动系统的发展现状，自主研究高性能电动汽车交流驱动控制系统是非常重要的。本文以异步电机为基础，依据矢量控制原理，设计、开发一套基于DSP芯片TMS320LF2407为核心的电动汽车异步电机变频调速系统.论文 的 第 一章介绍了国内外电动汽车发展现状，分析了电动汽车电机驱动系统，过对各种电机进行了比较，总结出电动车对其驱动系统的要求;第二章对用于电动车交流驱动系统的控制策略矢量控制技术进行了分析:第三章介绍了DSP和PWM技术，并详细介绍了电压空间矢量(SVPWM)技术;第四章设计了一种基于高速数字信号处理器的感应电动机控制器;第五章研究了系统的抗干扰和电磁兼容;第六章对矢量控制系统进行了仿真。第二章 矢量控制2.1矢量控制原理常用的矢量控制原理121有转子磁场定向矢量控制原理、转差频率矢量控制原理、气隙磁场定向矢量控制原理、定子磁场定向矢量控制原理以及电压定向的矢量控制原理。2.1.1转子磁场定向矢量控制原理对于一般电机调速系统而言，从转矩到转速近似为一个积分环节，其积分的时间常数由电机和负载的机械惯量决定，为不可控量，因此转矩控制性能的好坏直接关系到一个调速系统的动静态特性。交流 电 机 的转矩一般和定转子旋转磁场及其夹角有关。因此，要想控制转矩，必先检测和控制磁通。在磁场定向矢量控制系统中，一般把d一9坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d轴与转子磁场方向重合，此时转子磁通4轴分量为零(Vi, = 0 )。目前大多数矢量控制系统都采用此方法。它的优点是使系统达到完全的解祸控制，缺点是转子磁通的检测精度受转子时间常数的影响较大，在某种程度上影响了系统的性能。该控制原理的出发点是，异步电机的转矩主要取决于电机的转差频率。在运行状态突变的动态过程中，电机的转矩之所以出现偏差，是因为电机中出现了暂态电流，它阻碍着运行状态的突变，影响了动作的快速性。在控制过程中，保持电机转子、定子和气隙磁场中一个不变，电机的转矩就和稳态时工作一样，主要由转差率决定。其基本控制思想是以定子电流的幅值、相位和频率为控制量，保持电机的旋转磁场大小不变，而改变磁场的旋转速度，以此控制电机，可得到无延时的转矩响应。这种方法可以低速稳定运行，因而在许多接近零速运行的系统中广泛采用这种方法。但由于矢量控制方程没有变，系统性能同样受到转子参数变化的影响。2.1.2转差频率矢量控制原理该控制原理的出发点是，异步电机的转矩主要取决于电机的转差频率。在运行状态突变的动态过程中，电机的转矩之所以出现偏差，是因为电机中出现了暂态电流，它阻碍着运行状态的突变，影响了动作的快速性。在控制过程中，保持电机转子、定子和气隙磁场中一个不变，电机的转矩就和稳态时工作一样，主要由转差率决定。其基本控制思想是以定子电流的幅值、相位和频率为控制量，保持电机的旋转磁场大小不变，而改变磁场的旋转速度，以此控制电机，可得到无延时的转矩响应。这种方法可以低速稳定运行，因而在许多接近零速运行的系统中广泛采用这种方法。但由于矢量控制方程没有变，系统性能同样受到转子参数变化的影响。2.1.3气隙磁场定向矢量控制原理将d轴定向于气隙磁场方向的控制方法即为气隙磁场定向矢量控制原理。这类系统要比基于转子磁通的控制方式复杂，但是它却具有某些状态能直接测量的优点.例如气隙磁通。同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理饱和效应。2.1.4定子磁场定向矢量控制原理这种控制方法是将参考坐标的d轴放在定子磁场方向上，此时，定子磁通的R轴分量为零。通过检测电机端的电压、电流量计算出所需磁通，同时可以降低转子参数对检测精度的影响，该种控制方法成为近年来国内外研究的热点课题。2.3.5电压定向矢量控制原理上述 磁 场 定向矢量控制的优点是系统达到了完全的解祸控制，但缺点是系统的控制需要采用旋转矢量变换，结构比较复杂。如果使参考坐标的d轴和定子电压矢量的方向重合，则可以得到在过渡过程中也保持磁通恒定的动态控制规律，即电压矢量控制。2.2矢量控制方式矢量变换控制.3114)5,l是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的，具有先进性、新颖性和实用性的特点，矢量控制的思想就是将异步电机模拟成直流电动机来进行控制。通过三相静止轴系ABC.-*两相静止轴系a(3-+两相同步旋转轴系MT两次坐标变换。在MT坐标系下面，将定子电流矢量分量分解为按转子磁场定向的两个直流分量W , ill，并对其加以控制。控制&l，相当于控制磁通;控制Ill相当于控制转矩。这样，便将异步电动机的多变量强祸合的非线性系统进行了解祸控制，实现象直流电动机的控制方式及效果。以上 即 为 矢 量 控制的基本原理和控制方程式。可见在MT坐标系中，转子的磁链只决定于定子电流励磁分量lm ，而电机的转矩只与转子磁链T2，以及定子电流的转矩分量itl有关。在M轴上的励磁分量和T轴上的转矩分量之间已解除了祸合关系而互相独立，因此电机转矩的控制可以分别通过对定子电流在M, T轴上的分量独立进行控制来实现，其情况与直流电动机完全相似。只是由于转子绕组有时间常数T2的存在，控制定子励磁电流Im来改变甲:，存在一定的延时。但是若控制Tm、使磁通保持恒定，则通过控制Iti可以实现对转矩的瞬时控制，从而使异步电动机具有如同直流电动机那样的控制特性。本试 验 中 ，我们采取了转速开环和磁通闭环，而且带速度传感器的控制方式;而无速度传感器的控制方式则是通过电流与速度建立的模型来估算当前的速度，从而实现速度闭环。控 制系 统 根据电流模型进行转子磁链的观测，通过检测定子电流，并经三相坐标系(ABC)到转子磁链定向的两相同步旋转坐标系(M T)的变换，得到 在 M T坐标系上电机定子电流的转矩分量hi和励磁分量lml，根据电流模型即可得电机的转子磁链，并经过式(2-25)计算出转差。:，定子电流的转矩分量和磁通分量通过各自的调节器输出，并通过两相同步旋转坐标系变换到两相静止坐标系，再利用电压空间矢量法来控制脉宽值，从而控制异步电动机。第三章 DSP和PWM技术随着80年代DSP(数字信号处理)芯片出现和发展，数字信号处理技术的得到了巨大的提高，许多新系统、新算法应运而生，其应用领域不断拓展。和早期的DSP芯片相比，现在的DSP芯片在成本、体积、工作电压、重量和功耗都有了很大程度的下降，而且软件和硬件开发工具不断完善。某些芯片己经具有相应的集成开发环境，它支持断点的设置和程序存储器、数据存储器和DMA的访问及程序的单部运行和跟踪等.并且可以采用高级语言编程，有些厂家甚至提供了通用的函数库及各种算法子程序和各种接口程序，这使得应用软件开发更为方便，开发时间大大缩短，提高了产品开发的效率。目前，DSP芯片己广泛应用于通信、自动控制、航天航空、军事、医疗等领域。3.1 DSP3.1.1 DSP简介1978年，AMI公司宣布的S2811是世界上第一个DSP芯片。在这种芯片中，还没有现在DSP芯片中所必须的单周期乘法器。在后来的二十几年中，DSP的芯片得到了突飞猛进的发展。现在DSP的生产厂家很多，其中最著名的四家:TI(德州仪器)公司、AD(模拟器件)公司、Motoro以摩托罗拉)公司、Lucent Technologies(朗讯技术)公司。在众 多 的 DSP芯片中，最成功的应为美国德州仪器公司的TMS320系列产品。TI公司自从1982年推出第一代DSP芯片TMS32010后，推出了从TMS320CIX到TMS320C8X多代DSP芯片。TI公司在几年前还提出了“DSP解决方案”(DSPS)的理念，并将公司的战略重心转向了DSP. TI的系列DSP产品是世界上最有影响的DSP芯片，TI公司的DSP市场份额占50%左右。TM S 32 0LF/LC24OXA系列的DSP芯片是TI公司推出的C2000系列DSP中的一个子系列，是TI公司针对数字电机控制而设计的。LF/LC240XA将高性能的DSP内核和丰富的微控制器外设功能集于单片1C之中。从而为传统的多微处理器单元(MCU)和昂贵的多片设计的理想替代产品。LF/LC240X执行速度可以达到30MIPS。3.1.2 DSP特点DSP(r)uh u9Nw是一种特别适合与进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。以DSP芯片为核心构造的数字信号处理系统，可集数据采集、传输、存储和高速实时处理为一体，能充分体现数字信号处理系统的优越性，能很好地满足各个领域的应用。目前，DSP芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向发展，各种各类通用及专用的新型DSP芯片在不断推出，应用技术和开发手段在不断完善。同时各DSP生产厂家相继把DSP核(Core)的概念应用于DSP领域，即DSP生产商把DSP核(一般是DSP的CPU部分)和客户要求的存储器(包括Cache, RAM, ROM, Flash, EPROM等以及固化的用户软件)、外设(包括串行口、并行口、主机接口、DMA、定时器)和控制逻辑电路组成用户专用的DSP，从而提高ASIC的应用水准、增加产品保密性、提高可靠性、降低成本、缩短开发周期。DSP芯片一般具有以下主要特点：采用哈佛结构:将程序指令与数据的存储空间分开，各有自己的地址与数据总线，这就使得处理指令和数据可以并行操作，从而大大提高了处理效率。流水技术：与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线技术支持流水线操作使取 指、译码、访问数据和执行等操作可以重叠执行，从而减少了指令执行时间，增强了处理器的处理能力。. 快 速 的乘累加运算：DSP中都设置了硬件乘法器，乘和累加可以在单个指令周期 内 完 成 ， 使 得 DSP非常适合于数字信号处理;. 循 环 寻址和位倒序技求:为了满足FFT、卷积等数字信号处理的特殊要求，当前 的 D SP 大 多 在 指令系统中设置了循环寻址和位倒序指令:. 高 速 数据传输能力:新型的DSP大多设置了单独的DMA总线及其控制器，在不影 响 或 基 本 不 影 响DSP处理速度的情况下，作并行的数据传送，这为DSP之间 的 串 联 和 并 联 提供了方便;. 良 好 的仿真开发技术:为了方便用户的设计与调试，许多DSP在片上设置了JTAG 仿 复接 口 和 高 级语言编译器:当然 ， 与 通用地微处理器相比，DSP芯片地其他通用功能相对较弱些。数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字信号处理的全部优点:1. 接 口 方便。DSP系统与其他以现代数字技术为基础地系统或设备都是相互兼容 ，系 统 扩 展 方 便 快捷。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。3. 稳 定 性好。DSP系统以数字信号处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小， 可 靠 性 高 ;4. 精 度 高.16位数字系统可达到10's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的影响比较大，而数字系统 基 本 _L 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。DS P系 统 在通信、语音、图像、雷达、工业控制、仪器仪表、生物医学等许多领域得到越来越广泛的应用。3.1.3电机控制专用芯片TMS 32 0L F2407芯片是TexasI nstruments公司生产的16位定点数字信号处理器TMS320C2XX系家族中的一种，主要特性如下:采用 高 性 能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V ,减小了控制器的功耗;30M工PS的执行速度使得指令周期缩短到33ns (30 MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。片内 高 达 32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K 字的数据程序RAM,5 44字的双口RAM (DARAM)和2K字的单口RAM (SARAM)o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位的脉宽调制(PWM)通道。他们能够实现:三相反相器控制;PWM的对称和非对称波形:当外部引脚PDPINTx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个捕获单元;片内光电编码器接口电路;16通道AD转换器.事件管理模块适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)共192K字:64K字程序存储器;64K数据存储器;64K字UO寻址空Mo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的两个通道输入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(SO)16 位 的串 行外设接口模块(SPI)基 于 锁 相环的时钟发生器高达 40 个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)5个 外 部 中断(电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)电源 管 理 模块包括3种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模式作 为电 机 数字控制的专用芯片，TMS320LF2407的最大特色在于内置了两个功能强大的事件管理模块(Event Manager)，其完备的功能使得TMS320LF2407几乎可以实现各种电机的控制。EV模块主要由通用定时器单元、比较单元、正交编码脉冲电路以及捕获单元组成。一、 通 用 定时器单元每个 事 件 管理模块有两个通用定时器(.P) 。定时器x( EVA,x= 1,2 ;对EVB,x= 3,4)包括:一个 16 位的定时器增/减计数的计数器TxCNT，可读写;一个 16 位的定时器比较寄存器(双缓冲，带影子寄存器)TxCMPR，可读写;一个 16 位的定时器周期寄存器(双缓冲，带影子寄存器)TxPR，可读写:一个 16 位的定时器控制寄存器TxCON，可读写;可选 择 内部或是外部输入时钟;用于 内 部 或外部时钟输入的可编程的预定标器(Qrescaler)控制 和 中 断逻辑用于4个可屏蔽的中断一下溢、溢出、定时器比较和周期中断;可选 择 方 向的输入引脚TDIRx(当用双向计数式时用来选择向上或向下计数).二、 比 较 单元事件 管 理 器(EVA)模块中有3个全比较单元(比较单元1,2 和3),E VB模块中同样也有3个全比较单元(比较单元4, 5和6)。每个比较单元都有两个相关的PWM输出。比较单元的时基由通用定时器I (EVA模块)和通用定时器3 (EVB模块)提供。每 个 模 块的比较单元包括:3个 1 6位 的比较寄存器，它们各自带了一个可读/写的影子存储器;一个 可 读 /写的比较控制寄存器一个 16 位的比较方式控制寄存器6个 比 较 /PWM(三态)输出引脚控制 和 中 断逻辑三 、正 交 编码脉冲电路正交 编 码 脉冲电路可用于连接光电编码器以获得旋转机械的位置和速率等信息。正交编码脉冲是两个频率变化且正交(相位相差900)的脉冲。当它由电机轴上的光电编码器产生时，电机的旋转方向可通过检测两个脉冲序列中的哪一列先到达来确定，角位置和转速可由脉冲数和脉冲频率来确定.3. 2 PWM技术PWM控制技术10)67)( 1411 17)(25) 47)69，大致可以分为三类，正弦PWM(包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类)，优化PWM及随机PWM.正弦PWM己为人们所熟知，其旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势。而优化PW 所追求的 则是实现电流谐波畸变率(THD)最小、电压利用率最高、效率最优及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。随机PWM方法的原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的)，尽管噪音的总 分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱.正因为如此即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值(直接转矩控制即为一例)。随着 新 型 电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展，PWM变频技术也获得了飞速发展，目前主要有三种形式:基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制、基于电流滞环跟踪的CHPWM控制和电压空间矢量SVPWM控制。一 、PWM 技术SP W M 法是从电源的角度出发，着眼于如何生成一个可以调压调频的三相正弦波电源。SPWM波形的生成有许多方法，例如等效面积法、自然采样法、规则采样法等等。自然采样SPWM法采用正弦波作为调制波，以等腰三角波作为载波，利用比较法以正弦波和三角波瞬时值相等的时刻即两个波形交点作为跳变时刻，获得经调制的幅值相等、面积按正弦规律变化的矩形脉冲信号。中值规则采样法的基本思想是，将三角载波周期的中点(三角波的负峰值或正峰值)时刻对正弦采样形成阶梯波来代替正弦波.自然采样SPWM法虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，但其开关时刻求取困难，不适合微机实时控制，而中值规则采样法偏离自然采样法较小，脉宽的计算方