江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计
给光电耦合隔离驱动电路后，进而控制智能逆变电路的功率器件的断开与开通，使整流得到的直流电转换为三相交流电源带动交流电机的运转。此外，开关电源电路负责对光电耦合隔离模块、DSP芯片等低压电源的电力供应。DSP系统的关断复位等操作由键盘部分负责。上位机和DSP控制器的通讯使系统及时作出规定动作。
3.1 DSP芯片TMS320F2812
现代实用的DSP芯片采用指令存贮和程序存贮分开的哈佛结构或者改进的哈佛结构，以达到地址总线和数据总线的分离[15][16]。哈佛结构的优点是允许CPU同时访问程序指令和数据，使指令存取和数据存取可以同时进行，而这极大地提高了CPU的工作效率。而本文使用的芯片是有美国TI公司设计制造的的32位定点型基于C2000平台的DSP芯片TMS320F2812。
TMS320F2812是TI公司在2010年推出的新一代的数字电机控制（DMC）用32位定点型的DSP芯片，其采用增强型的哈佛结构，22位的程序地址和32位的数据地址[17]。具有数字控制和高速信号处理所需要的体系结构特点，而且，其具有专门为控制电机而提供的单片解决方案必须的外围设备。该芯片的特点有：
（1）支持JTAG接口，集成了多种有利于工程人员使用的外设。 （2）为有效防止人为因素的干扰，内置了密码保护机制。
（3）使用高性能的静态CMOS，I/O供电电压和Flash的编程电压均是3.3V，内核供电电压将为1.8V或者1.9V，减小了控制器的功耗。150MI/S执行速度使得指令周期减小的6.67ns，从而极大地提高了控制器的实时控制性能。
（4）芯片有56个可独立编程的输入输出引脚（GPIO），完全满足系统对电机调速控制的要求。
（5）拥有丰富的接口，及较大的自身存储空间，可以满足大数据量的运算和存储。
（6）对市场上的TMS320LF2407指令系统完全兼容。
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（7）有两个事件管理器（EVA和EVB），使功率变换器和电机提供了很大的便利。
（8）芯片带有PWM控制模块。
（9）内嵌基于自动锁相环技术的程序监视器和时钟发生器。 （10）内置了多个定时器，为软件编译提供了很大的便利。 （11）多样化的封装模式和配置标准，满足不同用户的需求。
（12）高性能32位CPU使用哈佛总线结构，具有统一的存储模式，可快速中断和中断处理；并能适应C,C++和汇编语言，它的C语言编译器支持C++的编译规范，可以直接将高级语言转换为汇编语言代码。能与TI公司以前的芯片源代码良好兼容。
（13）芯片使用的温度范围更广，S/Q：?40?C~125?C;A:?40?C~85?C
3.2 主电路设计
主电路使用交-直-交的电压型电路结构，包括由IPM智能功率模块构成的逆变电路、由大电容组成的滤波电路和整流二极管组成的整流电路。
3.2.1 智能功率模块设计
该模块将直流电变为交流电，这个过程成为逆变。逆变电路工作时不断将发生电流从一个之路转移到另一个支路，这个过程成为换流。根据其不同的性质和工作原理,换流分为四种方式：器件换流、负载换流、电网换流和强迫换流。本系统采用的是全控整流器件进行换流，即器件换流[18]。利用一定规律的PWM波形控制IGBT器件导通或关断，从而将直流功率转变为系统所需求的交流功率，所以，逆变电路也称为功率电路。
在本设计中，未采用传统的全控型开关器件进行主电路的逆变电路设计。为了实现智能功率模块，采用了三菱公司的现代化智能功率模块（IPM）作为控制核心的逆变电路。
本设计采用的IPM模块型号为PM30CSJ060，这是采用了第五代IGBT技术
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和先进亚微米电源芯片的设计技术，极大地提升了其动、静态性能。技术参数：功率2.2KW，额定电流30A，额定电压600V，开关频率20KHZ，供电电源电压
?15V。根据系统的原理框图，强电和弱电信号的接口处需要驱动电路和光电耦合电路。根据设计的实际情况，采用HPCL4504高速光电耦合芯片隔离，用以实现精确的光电信号转换。
图3-2 光电耦合隔离电路
如上图所示，一路PWM的控制信号连接到光电耦合隔离模块中的发光二极管上，用阻值110K?的电阻在中间限流，其产生的光信号将使模块的另半边进入工作。输出信号通过RC滤波和去耦合电路发出IGBT触发信号使智能功率模块工作。上图为单路信号光电耦合隔离电路，系统共需要六路这样的隔离电路。
3.2.2 整流滤波电路的设计
整流电路的作用是将工频交流电通过整流器件转变为直流电。由于系统采用电路二极管这种不可控整流器件，得到的直流电有很强的脉动，所以需要在整流电路后面加上滤波电路。如图3-3所示。
系统交流电机参数： (1) 额定电压 380V (2) 额定电流 2.8A (3) 磁极对数 2
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(4) 额定功率1100W (5) 额定转矩 7Nm
图3-3 整流滤波电路
选取整流二极管时应该使电机在最大负载下正常工作，综合考虑二极管耐压和电网电压波动等因素，选取电压波动系数1.1，安全系数2，额定电压940V；二极管额定电流取11.6A。考虑到负载的情况，选择额定电流8A、额定电压800V的KBJ808整流二极管。
为有效地消除电流脉动，设计中采用多级滤波，考虑到价格和实际需求，系统采用二级滤波。如上图所示。R1和R2为压敏电阻器，当电压或电阻过低时成高阻状态，使电流减少甚至没有电流通过。滤波电容全部采用470pF耐压型电解电容，电阻R3和R4的大小分别为10K?和2.2K?。
3.3 控制电路设计
控制电路的核心是DSP芯片，系统通过对电机三相定子电压、电机转速检测和直流母线电流的检测，达到对电机转速的平滑控制。
系统运行时，先把检测到的电压和电流信号转换成0~20mA电流信号或0~3V电压信号，通过A/D转换输入到DSP的GPIO口中；信号检测部分，系统使用芯片的CAP模块接收、处理速度信号；芯片的PDPINTA引脚连接IPM模块中的会使DSP产生故障的信号，以便处理。
控制芯片的供电电源由TI公司的专用电源转换芯片TPS767D301附加必要
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的电器元件构成直流电压转换电路组成。控制芯片还有上电复位功能；TMS320F2812的时钟信号可由外部晶振提供，通过芯片自带锁相环模块，将时钟信号乘以4倍频后输入到CPU。控制系统的复位电路使用微控制芯片TPS3307-18实现，具有手动复位以及上电复位功能。
3.4 检测电路设计
检测电路设计部分分为电压检测、转速检测和电流检测。电压检测电路检测的主要是母线电压，用于系统的过压、欠压保护；转速检测电路利用光电旋转编码器进行脉冲计数，通过M法测速公式计算出电机的瞬时转速，信号送入系统控制器；电流检测电路主要是把三相的定子电流进行A/D转换，并输入到控制芯片，实现电流环的闭环控制。该部分是实现系统双闭环控制的关键，直接影响系统的可靠性和精度。
3.4.1电压检测电路
电压检测主要检测系统逆变部分直流母线的电压。由于智能功率控制芯片内置了保护电路，故检测到的信号通过D/A转换和数据偏移处理后直接输入到PM30CSJ060引脚和DSP保护外设中。
电压检测传感器使用LEM公司的LV25-P电压传感器。该芯片测量精度良好，抗干扰能力强，温度漂移低。技术参数：额定有效输入电流0~20A，工作温度
?25?C~70?C，非线性失真<0.1%，精度大于0.5%F.S，响应时间?40ns。
具体检测电路如下图所示，其中R8=56K?，VCC = +15V。
图3-4 电压采样电路
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