dsPIC

dsPIC（共7篇）

dsPIC 篇1

随着电子技术的发展, 励磁控制系统中单片机技术已占主导地位, 它不但结构简单、集成度高, 而且运行速度快、处理功能强, 满足了励磁的设计需求。但在励磁控制系统中, 其肩负着数据采集、数据处理、逻辑判断和网络通讯等众多任务, 占用了大量硬件资源, 限制了励磁设备的信号接口数量。

在电力系统中, 励磁设备与电站监控系统之间的信号需求越来越多, 励磁设备面临I/O信号和RS485通信接口不足的问题, 如果重新开发设计励磁控制单元, 不仅工作时间无法满足, 而且浪费了大量的人力物力, 了提高了成本。文中介绍的智能端子是一种快速灵活扩展励磁信号接口的设备。智能端子不仅集成度高、硬件简单, 而且成本低、方便可靠, 有利于励磁设计工作。

1 系统方案

智能端子采用ds PIC30F6014A作为其核心处理器。ds PIC30F6014是一款高性能数字信号控制器, 具有强大的数据吞吐能力和丰富的外围设备, 其强大的性能方便了智能端子的研发。

目前励磁控制系统中, 网络化已普及, 而基于安全性和稳定性考虑, 励磁系统通信多采用CAN通信方式, 因此智能端子采用CAN总线实现与励磁调节器的实时通讯, 进而实现扩展I/O的目的, 并可通过显示屏监视和控制智能端子的状态。智能端子外设16路开关量输入信号回路和16路开关量输出信号回路。其中开关量输入回路作为励磁控制信号的输入端;而开关量输出回路作为电站监控励磁设备状态的信号回路。智能端子外设了一路RS-485串行通信接口, 作为励磁设备与上位机的通信接口, 可以把励磁设备的模拟量数据传递给电站监控设备。智能端子的系统原理框图如图1所示。

2 智能端子软硬件设计

2.1 ds PIC 30F6014A特点

作为控制核心ds PIC 30F6014A是美国微芯公司推出数字信号控制器, 具有16位闪存单片机的高性能, 并兼有数字信号处理器的计算能力和吞吐能力[1]以及外围设备快速的中断处理能力, 而且融合了可管理高速计算活动的数字信号处理器功能, 是嵌入式系统设计的最佳单芯片解决方案[2]。

2.2 CAN网络通信

ds PIC30F6014A芯片内部集成了两个和CAN2.0B标准兼容的CAN总线模块, 支持CAN协议的CAN2.0A、CAN2.0B的主动和被动版本[3]。这些特点使得ds PIC适宜冗余CAN总线通讯系统的硬件设计。

鉴于ds PIC30F6014A内部已经集成了CAN通信模块, 因此只设计了其接口驱动电路。这里选用VP1050器件作为CAN协议控制器和物理总线之间的接口, 对CAN协议控制器提供差动接收能力, 对传输总线提供差动发送能力。图2中在VP1050与ds PIC之间接入光电隔离主要是出于安全考虑, 以便提高系统的可靠性, 这里选用高速光电隔离芯片6N137实现。

2.3 开关量电路

智能端子开关量输入信号多为24 V, 而主芯片ds PIC30F6014开关量引脚工作电压为5 V, 为实现外部信号与主芯片ds PIC的连接, 需要进行信号的电平转换, 即将24 V变换为5 V。为提高I/O信号的可靠性, 外设回路采用高速光耦芯片PS2801。该芯片具有信号单向传输, 输入端与输出端完全实现了电气隔离, 输出信号对输入端无影响、抗干扰能力强、工作稳定、无触点、传输效率高等优点。电路如图3所示。

开关量输出信号主要是用来驱动发光二极管和继电器, 以显示微机励磁装置的运行状态。开关量输出信号其设计原理与开关量输入回路相同, 但由于PS2801的驱动能力有限, 不足以驱动继电器动作, 因此在开关量输出回路引入了三极管来增大驱动能力。

在主芯片上电复位时, 由于信号不稳定, 容易误动作, 采取在电路中增加两组逻辑“非”门的措施, 可以有效防止误动作。开关量输出回路如图4所示。

2.4 RS485总线电路

RS485串行数据接口标准是由电子工业协会 (EIA) 制订并发布的, 它是在RS-422基础上制定的标准[4], 鉴于ds PIC30F6014A内部已经集成了RS-485通信模块, 因此这里只设计了其接口驱动电路。RS485硬件电路采用半双工两线制。收发器采用SN65LBC184D芯片, 它性能稳定, 具有抗电流冲击能力, 带载能力强, 而且拥有一些针对限流和开路等故障的保护措施, 可以有效保证器件工作的可靠性。为提高抗干扰性, 采用3片高速光耦6N137芯片使通讯芯片和主芯片的电源隔离, 通讯更为可靠。为加强对接收信号驱动能力, 收发器信号在进入光耦前先经过DM7407M芯片, 可以增强带负载的能力。在485总线设计中, 应考虑总线匹配问题, 即在总线两端的差分端口A与B之间跨接120Ω匹配电阻, 以减少由于不匹配而引起的射、吸收噪声, 抑制噪声干扰[5]。如图5所示。

2.5 软件实现

智能端子软件程序设计主要包括系统初始化程序、报文发送程序、报文接收程序以及定时器中断程度等。在软件设计中, 主要的软件设计思想有3个方面: (1) 软件必须满足实时控制的需要。 (2) 软件要充分发挥单片机ds PIC30F6014的指令精简高效和硬件功能丰富的特点。 (3) 软件要有灵活性、通用性、可靠性和移植性[6]。软件流程图如图6所示。

在软件流程图中, 系统初始化是整个软件的基础, 而Timer定时中断程序是软件的主程序, 其具体内容如下:系统初始化。系统时钟设置, 定时器设置和CAN网络设置等;Timer定时器。定时器采用为5 ms定时中断, 实时查询IO口状态, 经数据处理后通过CAN发送通信发送到励磁调节器, 同时还将从CAN总线接收缓冲器读取的数据, 经数据处理后, 通过I/O输出口输出。

3 实验与分析

本实验中, 通过CAN总线实现励磁调节器、人机界面与智能端子的连接。励磁调节器将开关量数据传递给智能端子, 并通过人机界面监控智能端子I/O输出接口所输出的开关量信号。

调节器发送的数据信号具有固定的地址, 在人机界面下的ITSetup Disp的窗口命令下, 可以根据这些数据信号的地址任意设置智能端子各个I/O输出信号, 智能端子各个I/O输出接口按照地址整定的对应关系输出对应的开关量信号。图7中“现场整定”栏下的数据就是开关量地址。

智能端子通过CAN通信接收来自励磁调节器的数据, 并按照参数整定的对应关系从对应的I/O信号输出回路输出, 驱动底层继电器动作。为检测智能端子参数整定是否正确以及各个I/O接口的动作状态, 可以在人机界面ITInput Disp的窗口命令下, 查询智能端子各个I/O输出信号的状态, 如图8所示。

智能端子和电站监控设备通过RS485通信接收试验数据的通信连接, 励磁设备将模拟量和开关量数据传递给上位机。本实验中使用人机界面代替电站监控设备, 检测智能端子RS485通信状态。在人机界面下的RS485通信软件窗口命令下, 通过定时循环查询方式向智能端子发送查询指令, 智能端子收到查询指令后, 向人机界面发送数据, 数据将显示在RS485通信软件窗口内, 如图9所示。

实验验证了本文所提出的以ds PIC30F6014数字信号控制器为核心的智能端子硬件电路的有效性以及相应软件编程的合理性, 效果令人满意。

4 结束语

采用当前在工业控制中比较流行的ds PIC作为智能端子的控制核心, 并设计了相应的硬件电路和软件部分。智能端子满足了励磁设备与DCS等上位机之间的信号连接要求, 提高了励磁设备的冗余度、降低了设备成本、方便了励磁设计人员的工作。目前, 智能端子已应用于多个电站项目中如:重庆钢铁、唐山迁钢等励磁项目的励磁设备中, 运行稳定、性能可靠。

摘要：在电力系统中, 电站监控设备与励磁设备之间的信息需求越来越多, 而由于励磁设备自身的硬件限制, 不可能无限制扩充其信号接口。文中提出的智能端子很好地解决了励磁设备信号接口不足的问题。介绍了一种基于dsPIC30F6014芯片的智能端子, 通过试验结果证明, 该智能端子不仅集成度高、硬件简单, 而且成本低、方便可靠, 具有一定的实际意义。

关键词：dsPIC,智能端子,励磁设备,CAN

参考文献

[1]Microchip Technology Inc.dsPIC30F6011A/6012A/6013A/6014A data sheet high-performance 16-bit digital signal controllers[M].USA AZ:Microchip Technology Inc, 2008.

[2]胡蔷.dsPIC数字信号处理控制器及其应用[J].机械制造与自动化, 2005 (2) :126-129.

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[4]许燕萍, 杨代华.RS485串行总线可靠性的研究[J].电子科技, 2009 (2) :8-10

[5]王丽萍, 刘永强.电气装置中485电路及其可靠性设计[J].微计算机信息, 2009 (2) :274-276.

[6]WIDROW B, WALACH E.自适应逆控制[M].刘树棠, 韩崇昭, 译.西安:西安交通大学出版社, 2000.

dsPIC 篇2

双向工频通信系统TWACS(Two Way Automatic Communication System)是20世纪90年代在美国出现的一种基于电力配电网络的通信系统。它用50 Hz作为输入/输出信号的载波频率通道,在电压波形的过零点附近加入调制信号,在输出通道上调制电压波形,在输入通道上调制电流波形,以实现双向通信[1,2,3,4]。TWACS技术完全利用已有的电力网络作为传输载体,无需增加中继环节,可直接进行跨变压器台区的长距离传输,成本低廉,可以作为配电网通信手段的一种重要补充。我国中压配电线路多采用中性点不接地或非直接接地系统,不具有零序通路,而且电网噪声复杂多变,对工频信号检测很不利。在对我国配电网工频通信信道特性研究和实际测试的基础上,开发了一种适合我国配电网的实用化工频通信装置。

1 工频通信系统原理

基于配电网的双向工频通信系统组成如图1所示,主要由子站装置和用户终端装置两大部分组成。

子站装置安装在变电站主控室,由主控制器、信号调制、信号解调3部分组成,负责向用户终端发送命令和接收用户终端信息。用户终端安装在用户侧,负责接收控制命令并完成相应动作或发回用户信息。子站装置和用户终端都必须设置调制和解调单元,以实现信号的双向传递。定义子站装置到用户终端的信号为下行信号,用户终端到子站装置的信号为上行信号。下行信号的发送由子站装置的信号调制电路实现,并通过调制变压器耦合到10 kV母线上,变电站范围内的所有用户终端都能接收到该信号。上行信号的接收是由子站装置信号解调电路采集相应10 kV馈线出口处电流互感器(TA)中的电流信号来完成的。用户终端实现下行信号的接收和上行信号的调制,主控制器用于数据存储和通信控制。

1.1 信号调制原理

下行信号的调制由子站装置在220 V低压侧实现,通过调制变压器耦合到中压10 kV母线上,下行信号调制等效电路如图2所示。

图2中T为调制变压器,其作用是把控制电路和高压强电隔离,Li表示主变副边漏感,Ls、Rs为调制电路参数。当在电压波形正过零点前Δt/2处闭合晶闸管VSCR时,产生的瞬间电流i′c通过调制变压器耦合到主变副边产生电流ic,ic在Li上引起一个畸变电压,从而使10 kV电压波形在过零处产生畸变,这个畸变可以往整个主变供电的配电网络传播。畸变信号的频谱特征,能量大小可以通过调节Ls、Rs值得到[5,6]。1个数据位以2个电压周期为单位调制,“0”表示第1个周期调制、第2个周期不调制,“1”表示第1个周期不调制、第2个周期调制。

上行信号的调制在用户终端实现,等效电路和信号波形(Um和Im为幅值)如图3所示。

在电压接近过零点时,用户220 V侧回路中的晶闸管导通,产生瞬间电流ic,ic过零时晶闸管自动断开,调制电流ic叠加在电压过零区域对应的电流波形上,并通过配电变压器耦合到10 kV馈线电流上,可在10 kV馈线的电流互感器中检测出来。与上行信号调制不同的是,此处的晶闸管是双向的,在正、负过零点处都可导通,即可以产生2个方向不同的脉冲信号,调制信号波形如图3下方所示。1个数据位由4个相邻周期为单位进行调制,“0”表示在8个过零点中的2、4、5、7处调制,“1”表示在1、3、6、8处调制。

1.2 信号解调原理

工频信号解调的任务就是要检测出调制信号的有无,对调制信号的大小和形状并无过多要求,因此目前的工频通信系统主要采用时域方法解调信号。下行信号的检测有时间作差法和幅值作差法2种。时间作差法利用前后2个周期对应电压幅值相等时,其时刻的差别来检测调制信号,是一种模拟解调方法;幅值作差法利用前后2个周期对应时刻相等时,电压幅值的差别来检测调制信号,是一种数字解调方法[6]。时间作差法原理如图4所示。

将以基准点开始的2个电压波形进行全波整流后,设置3个比较电平,配合微处理器的高速捕获计数器即可实现下行信号的检测。如图4所示,负过零点处附近的电压波形在经过不同电平比较后,可得到t1～t6的6个时间信息和负过零时间信息t0,令:Δt1=t0-t1,Δt2=t0-t2、Δt3=t0-t3、Δt4=t0-t4、Δt5=t0-t5、Δt6=t0-t6,同理有:Δt′1=t′0-t′1、Δt′2=t′0-t′2、Δt′3=t′0-t′3、Δt′4=t′0-t′4、Δt′5=t′0-t′5、Δt′6=t′0-t′6。不考虑其他电网噪声,当有调制信号时,Δt将增大;如果2个负过零点处都没有调制信号时,则Δti=Δt′i,令

当D<λ时,无调制信号;当D>λ时,表示信息位1;当D<-λ时,表示信息位0,λ为设定的阈值。该方法具有运算量小、简单易实现的优点,但是抗电压扰动的能力较弱。u1～u3确定后,由于电网电压往往有±10%的波动,使得u1～u3不是最佳检测门限。随着信号处理技术和集成芯片的高速发展,使得利用现代数字信号处理技术进行信号解调变得可行。幅值作差法利用高速、高精度A/D对电压波形进行全周期采样存储,或局部采样足够的点数存储,采样数据与前一个周期的对应采样点作差,根据差值的大小及正负即可解调出下行信号。

上行信号的检测采用幅值作差方法,在电压过零附近设置检测窗口,利用相邻电流波形进行检测,如图5所示。

从基准点开始,在电压波形过零区域设置8个检测窗口,在每个窗口对应的电流区域采样k个点,分别为A11-A1k、B11-B1k、…、A41-A4k、B41-B4k,令:

D=0表示无信号;D=+4λ表示信息位1;D=-4λ表示信息位0,λ为入站电流脉冲强度。

2 系统装置硬件设计

工频通信系统装置包括子站装置和用户终端。子站装置主要完成下行信号的调制、上行信号的解调及整个系统的控制功能,用户终端完成上行信号的调制和下行信号的解调,装置硬件结构如图6所示。

2.1 微处理器的选择

考虑到工频通信在信号调制时侧重处理器的控制功能,而在信号解调时侧重处理器的数字信号处理功能,因此系统主控单元选用数字信号控制器(DSC),它集成了单片机(MCU)的控制功能以及数字信号处理器(DSP)的计算能力和数据吞吐能力。在DSC领域,美国微芯公司(Microchip)推出的dsPIC系列具有很高的性价比,采用改进的哈佛架构,将MCU的控制特性与DSP的计算能力无缝地集成在一起。这种集成的功能对于需要高速、重复计算和控制的应用非常理想。以16位单片机为核心的dsPIC数字信号控制器,提供了MCU所具有的所有功能:大容量程序存取器(Flash)和数据存储器(RAM),快速、复杂和灵活的中断处理,丰富的模拟和数字外设,电源管理,可灵活选择的多种时钟模式,上电复位,欠压保护,看门狗定时器,代码加密,全速实时仿真以及全速在线调试解决方案。同时,dsPIC数字信号控制器还融合了可管理高速计算活动的数字信号处理功能,具有专门的DSP引擎,堪称嵌入式系统设计的最佳单芯片解决方案。

设计中选用dsPIC33F系列,片内集成大容量Flash和RAM,无需外扩存储芯片。内部集成12位A/D转换模块,该模块以逐次逼近(SAR)原理为基础,提供最高500 K次采样/s(SPS)的转换速率。A/D转换时钟、自动采样时间、A/D转换时间、采样启动方式以及转换结果输出格式等都可通过设置相应的寄存器灵活选择,满足信号解调时的采样要求。此外,片内外设UART、I2C、SPI、CAN等能够满足各种通信需求。DSP引擎、2个40位累加器、支持除法运算的硬件、桶形移位寄存器、17×17位乘法器、16位工作寄存器阵列和多种数据寻址模式,共同为dsPIC33F提供了广泛的数学处理能力。此外,直接存储器访问(DMA)允许数据在多个外设和专用DMA RAM之间进行无CPU开销的传输。可靠的现场可编程闪存程序存储器确保能对使用的dsPIC33F器件应用进行扩展[7,8]。

2.2 过零检测电路

过零检测电路为信号调制和信号解调提供时间基准,由电压互感器(TV)、前置放大电路、低通滤波电路、移相电路、电压比较电路组成,如图7所示。

220 V工频电压信号经TV取样后送至前置放大器放大,并进行必要的相位补偿。滤波电路采用二阶有源低通滤波器,防止高频噪声影响电压比较电路造成过零点不稳。移相电路将经过处理后的50 Hz正弦信号移相90°,然后经电压过零比较器处理后产生50 Hz方波信号,送至CPU的外部中断引脚。

2.3 信号调制电路

信号调制电路完成上、下行信号的调制,由晶闸管触发电路及其保护电路组成。当要进行信号调制时,CPU的2个I/O口输出信号到与非门进行编码,主要目的是为了防止晶闸管在CPU上电过程中的误触发。触发电路主要利用带光隔离的小功率晶闸管MOC3052驱动后面的大功率晶闸管,其中还包括阻容滤波电路以防止电压上升过快引起晶闸管的误触发,如图8所示。

2.4 信号解调电路

信号解调电路完成上、下行信号的检测,原理框图如图9所示。

其中下行信号的检测相对简单,主要由TV取样、放大、滤波等电路组成,其中滤波电路采用4阶Bessel有源带通滤波器,具有最优的线性相频特性,通带频率200～800 Hz。由于带通滤波电路消除了50 Hz基波信号,而调制信号和各次谐波幅值较小,需要对经过滤波后的信号再进行后级放大,将信号处理成CPU内部A/D容许的范围之内,然后送至CPU进行A/D采样。

上行信号检测通过采集相应10 kV馈线出口处A、B、C三相电流互感器中的电流信号实现。考虑到实际应用中变电站一次测只有A、C两相TA的情况,增加了求和电路,利用三相平衡条件下的A、C相电流求出B相电流。三相背景抵消电路主要功能是利用电网三相电流之间的相位关系,最大可能地抵消掉电网本身的负载电流,同时将其他两相上的调制信号叠加到检测相,从而突出上行调制信号。由于负载电流很大,而调制信号十分微弱,抵消掉一部分背景信号相当于提高了信噪比和采样芯片的分辨率。如果没有抵消电路,由于受到采样A/D输入信号范围的限制,后级放大电路的放大倍数不可能很大,必将影响采样精度,因此背景抵消电路的作用十分重要。在三相负载平衡的条件下,A、B、C三相背景电流大小相等,相位相差120°。当检测A相调制信号时,将A相电流与B相电流求差,将C相电流放大姨3倍并向后移相90°,然后将A、B相之差减去经移相和放大处理后的C相,即IA-IB-姨3 IC∠-90°,即可实现三相背景电流的抵消,同时将有用的调制信号加强。实际的硬件电路主要由运算放大器构成的求和、求差电路,以及放大和移相电路构成,原理如图10所示。

3 系统软件设计

软件开发平台采用MPLAB集成开发环境(IDE),内置组件包括项目管理器、编辑器、汇编器/链接器、调试器、软件模拟器等。此外,针对dsPIC33F系列数字信号控制器,Microchip公司提供了专门的C语言开发工具MPLAB C30,可无缝集成在MPLAB IDE中。系统软件设计采用了模块化编程思想,并以C语言和汇编语言混合编程的方式完成整个软件设计。主程序由C语言实现,完成数据处理、信息存储及系统的控制与管理,使得程序大为简化,便于移植;汇编语言主要用于关键算法的优化以及对底层硬件(如DSP引擎)的操作。系统主程序流程如图11所示。

装置上电后首先进行硬件初始化,包括I/O口、定时器、中断、A/D转换器、通信接口等,然后等待控制器的指令。如果没有指令,说明系统工作在非通信时段,此时只对电网信息进行采集并存储,为系统通信提供有用信息;如果收到控制器的指令,系统工作在通信时段,开始进行下行信号的调制。终端检测到下行同步信号后进行下行信号解调和上行信号调制,然后由子站装置对上行信号解调后进行数据存储,数据通信等工作。

子程序主要包括过零检测、信号调制和信号解调等。过零检测主要是利用过零检测电路产生的方波触发外部中断,为信号调制和信号解调提供时间基准。信号调制子程序根据编码规则,在不同过零点位置控制晶闸管的导通,并可通过改变导通角调节调制信号的强度。信号解调子程序主要由数据采集、数字差分、数字滤波、信号检测算法等组成,如图12所示。其中数字差分是利用工频信号特有的调制特点,采样后对相邻周期进行幅值求差,从而消除大部分工频基波、整次谐波干扰,同时也增强了调制信号[9,10,11,12]。数字滤波采用有限脉冲响应(FIR)滤波器,对数字差分后的信号进行滤波,截止频率1 kHz[13,14]。针对所选DSC,采用提供有专业的数字滤波仿真和设计软件(dsPICworks&FD Lite),可以很方便地用软件实现。信号检测算法主要采用相关检测算法,关键代码由汇编语言实现[15]。

4 结论

dsPIC 篇3

关键词：正弦脉冲宽度调制 (SPWM) ,查表法,三相桥式逆变电路

三相异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、功率大, 应用于生产和生活各方面。电机运行时, 由于转速与其旋转磁场转速有一定的转差关系, 其调速性能较差, 需借助调速系统提高其性能。

在变频调速系统中, SPWM (正弦脉冲宽度调制) 技术得到了广泛应用。SPWM控制基本思想是用一系列等幅不等宽的矩形脉冲来逼近理想正弦波, 即利用一系列连续的三角波和正弦波相交, 通过控制逆变器功率开关器件导通或关断, 在逆变器输出端获得一系列宽度和正弦波幅值成正比的的矩形脉冲波形[1]。改变矩形脉冲的宽度和调制周期就可以改变输出电压的幅值和频率。

M i c r o c h i p的M P L A B C 3 0编译器支持ds PIC30F结构标准库, 经过高度优化, 充分汲取了众多ds PIC30F的优点, 可提供有效的软件代码生成。本文采用ds PIC3 0 F 4 0 1 1单片机作为控制核心, 给出了可行的逆变电路及SPWM波形产生方法, 得到频率、幅值连续可调的三相SPWM波形[2]。

1 控制信号发生器软件设计

在软件实现的过程中, 通过A/D采样模块采入电位器信号, 经过模数转换将信号传递给PWM脉宽调制模块, 控制信号波的载波比、调制度等变量, 产生频率、幅值可调的SPWM波, 并通过LCD模块实现频率的实时显示。

1.1 d s P I C单片机寄存器初始化

Ds PIC单片机具有多路同时采样并转换功能, 10位A/D转换器最多可以有16个模拟输入引脚, 指定为AN0-AN15。转速信号的给定只需对一个模拟输入引脚进行采样。通过初始化程序进行设置, 主要完成以下功能。

(1) 1个通道转换 (本例中, 该通道为RB1/A N 1) 。

(2) PWM触发采样。

(3) 每完成16个采样/转换后产生中断。

(4) 采样时间3TAD, 转换时间2Tcy。

通过采集电位器电压, 将模拟电压信号转换为数字信号, 从而达到调频的目的。

MCPWM模块通过改变PWM输出信号的占空比来控制功率器件的导通和截止, 进而实现三相逆变电压的输出。设计中选用了中心对齐形式, 其初始化程序完成功能主要包括以下几点。

(1) 设定RE0-RE5, 即PWM1L-PWM3H为输出端口。

(2) FPWM=7200Hz, 互补的PWM。

(3) 使用OVDCON控制PWM输出。

(4) 用从电位计读取的ADC值设定载波比N。

(5) 启动MCPWM模块。

1.2 SPWM算法及参数设定

SPWM信号的产生采用规则对称采样法, 其原理图如图1所示。

设正弦调制信号波为ur=asinwt。式中a为调制度, rw为正弦信号波角频率[3]。

可得到如下关系式:

由此可得:

而两边的间隙宽度为:

显然, 脉冲宽度可直接计算得出, 但由于ds PIC单片机晶振频率和计算速度的局限性, 指令执行时间会将调制波频率拉低, 实验证明, 三相同时计算时, 理论上50Hz的调制频率会被拉低到20Hz左右, 对结果影响较大。所以, 实时计算方法会花费CPU大量时间来计算正弦值, 并不适合ds PIC单片机产生SPWM波。

鉴于以上存在问题, 本文使用一个包含正弦波所有点的查找表, 每经过1个或几个周期性的间隔从该表读出正弦值, 并通过计算使之符合所允许的占空比范围, 在每个PWM周期的开头调节此指针, 则指针将以规定的频率在表中前移, 因此每次改变指针的值后均无需软件检查该值, 指针计满返回并复位为0。这是一种用空间换取时间的方法, 且调频准确, 保证了波形质量。

1.3 表格创建与连续调频调幅的实现

创建表格过程中, 可针对其中一相的采样点计算出对应的sin值, 作为一个表存放, 其余两相只是采样点即采样的位置不同, 而所有采样值均包含在此表中.在给另两相的占空比寄存器赋值时, 只需在表中选择不同的值即可。由此看出, 虽为三相SPWM波输出, 正弦表的大小与单相相同。

本设计采用72点正弦表格。利用ds PIC单片机的PWM模块, 可以方便地产生三相六路带有可编程死区和输出极性的SPWM波形。在晶振频率为7.37MHz的情况下, 本文设定载波比N=72, 产生1Hz~50Hz正弦波, 载波频率Fpwm=72×50×2=7200Hz。

查表时, 占空比寄存器初始化为:

此过程保证了三相正弦波输出相位互差120°。

若数组指针在每次中断后增加固定的偏移量, 可在每个PWM周期中取得表格相应的正弦值, 由此可见, 通过A/D采样连续改变查表指针的偏移量, 可达到连续调频的目的。

在脉宽调制中, 有ur=asinwt, 即改变调制度a, 可改变调制波幅值。理论上, a在0~1之间, a=0时, 输出占空比为0.5的方波[4]。

在查表时, 在所得查表值前乘以调制度系数a, 即可改变逆变电压的幅值。a值可由A/D采样得出, 在改变载波比的同时连续改变a值, 可达到既调频又调压的效果。

2 系统硬件电路设计

通过对三相异步电动机控制系统的分析, 进行了基于ds PIC的三相异步电动机SPWM控制信号发生器设计。逆变电路采用三相桥式逆变结构, 器件较少, 结构相对简单。每个桥臂的导电角度为180°, 同一相上下两个桥臂交替导通, 各相开始导电的角度依次相差120°。这样, 在任一瞬间, 将有三个桥臂同时导通。为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路, 要在同一桥臂通断之间留一个短暂的死区时间。其结构图如图2所示。

逆变电路主电路板包括4个独立的稳压源, 为芯片提供工作电压。为避免故障时主回路电流灌入单片机中, 采用光耦6N137进行电气隔离, 信号通过功率驱动器件IR2110控制IGBT按要求导通与关断, 进而驱动电机工作。硬件构成如图3所示。本文驱动电机为三相鼠笼式异步电动机, 额定电压220V, 电流0.5A, 绕组三角形接法, 工频50Hz。

3 系统检测与调试结果

为验证程序正确性, 采用10k欧姆电阻和1u F电容组成滤波电路。通过检测产生波形的幅值、占空比、频率、死区时间等指标验证了程序的正确性。部分波形截图如图4、图5、图6、图7所示。

4 结语

本设计能够实现驱动三相异步电动机变频调速功能, 创新点在于以ds PIC为基础, 编程时巧妙的利用查正弦表法, 避开了实时计算正弦函数值, 为处理器节省了大量时间, 同时将三相相位差转化为查表读数时起始位置的差别, 省去了基准正弦波的发生设计, 在精确控制前提下简化了程序, 具有较强的实用性。

参考文献

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[3]熊军华, 王亭岭, 陈建明, 等.三种SPWM波形生成算法的分析与实现.

dsPIC 篇4

随着社会的高速发展,基于普通单片机而存在的控制系统已经不能满足工业生产的需要。控制系统是工业生产中重要的一部分,其性能的优越程度决定着产品的质量好坏,目前这种系统大都基于8位的微型处理器,不能完全满足工业现场的实时性和可靠性要求。

本课题主要是要求设计DSPIC6014A的最小控制系统, 利用该单片机的强大功能,设计出一个通用的控制器,该控制器能够对脉冲信号、模拟信号进行检测,对其常用的通信传输接口,如RS232、RS485以及I2C等进行学习和研究, 然后设计外围电路对外部开关元器件以及可执行装置进行控制。

多功能控制系统的总体设计

系统整体框图:系统的硬件基础包括:系统主控制芯片、 人机接口模块、I/O接口电路模块、模拟量传感器接口整形单元及相应的RS232和RS485接口单元。

DSPIC6014A的最小系统的电路设计

系统对DSPIC6014A及其配套电路进行设计。主要包括:DSPIC6014A的电源、复位电路、串口,稳压电路等。 时钟电路插座用于拓展外部。

■ 电源:采用了LM2575的可调稳压和集成稳压电路ASM1117-5.0。

■ 时钟电路:采用30MHz的外部晶体给DSP提供时钟,并使能F2812片上PLL电路。PLL倍频系数由PLL 控制寄存 器PLLCR的低4位控制, 可由软件动态的修改。

■ 插座:用于方便拓展外部电路。

■ 信号处理电路:信号处理电路包含电压跟随器、放大器组成的放大电路和RC积分电路。用来放大电压。

■ 信号隔离收发电路:信号隔离收发电路采用ADM3251E芯片,可用于任何适用RS-232的场合。

■ 光耦合器控制电路:TLP521-2第6脚Vo输出电路属于集电极开路电路,须上拉电阻;第2脚和第3脚间是一个LED,须串接限流电阻。

■ 人机接口:人机接口采用低电平有效的方式,显示采用LCD12864液晶显示器。

系统功能的实现

用汇编语言和C 语言混合编程来编写程序,然后把他们转化成DSPIC单片机的汇编语言并送到编译器进行编译, 生成目标文件。

将目标文件送入链接器进行链接,得到可执行文件。

将可执行文件调入到调试器,进行调试,检查运行结果是否正确。如果正确继续否则返回修改。

进行代码转换,将代码写入EEPROM,并脱离仿真器运行程序,检查结果是否正确。如果不正确返回,否则继续软件测试。

将仿真后的程序烧录到ds PIC6014A芯片中,将软件和硬件结合起来,并组成一台样机,在实际系统中运行,进行系统测试。如果系统测试结果符合指标,则样机的设计完毕。注意烧录程序时的跳线以及寄存器值的改写。

总结

本课题设计出了DSPIC6014A的最小控制系统,利用该单片机的强大功能,设计出一个通用的控制器,该控制器能够对脉冲信号、模拟信号进行检测,设计出的外围电路能达到更好的控制效果。

摘要：由于8位微处理器处理速度及计算能力有限,不能完全满足工业现场实时性,复杂性要求。本课题采用目前国际市场上最先进、功能强大、外设资源非常丰富的16位SPIC6014A为控制核心进行设计。

dsPIC 篇5

随着相控阵技术的不断发展和成熟, 大型相控阵雷达已经得到越来越广泛的运用。雷达电源作为雷达上各分系统的动力核心, 对雷达各分系统的可靠工作起着至关重要的作用[1]。因此在技术上和工程上对雷达电源的监控和保护都提出了更高的要求, 完善的监测功能是雷达电源设计的一个重要指标[2]。文章对雷达电源监控模块进行研究, 目的是提高电源监控模块性能, 并在此基础上提高监控模块的可靠性, 减少电源故障的平均维修时间。

1 电源监控模块的现状和存在问题

随着大型有源相控阵的发展, 数量日益增多的雷达电源被分散到数公里的平面或数层楼高度的物理空间上[3], 对电源状态的监测由原来好坏的判定增加至能实时查看电源的输出电压和电流值。目前所采用的方案是由基于单片机的采样板监测每个电源的状态, 然后通过RS485总线对外通信。该方案存在的主要问题有: (1) 单片机片内资源有限, 需外扩一些功能模块, 使得系统抗干扰能力下降; (2) 引脚的复用会造成一些时序问题; (3) 采样板所采用的RS485总线, 通讯效率较低、灵活性差、尤其是错误处理能力不强, 总线上一个节点有问题可能导致整个总线通讯失败。

2 雷达电源监控功能需求分析

雷达电源监控模块应该在技术上具有先进性, 在接口上具有开放性, 还应具备模拟量和开关量的监测功能、遥控开关机功能、地址自动识别功能、故障定位功能、快速可靠的数据通讯功能、程序的在线更新功能等。

(1) 数据采集功能。能采集电源的开关量 (过压、过流、过温) 和模拟量 (电压值、电流值) , 并具有带时限的去抖功能, 以提高系统的抗干扰能力。

(2) 遥控开关机功能。在系统联机试验时, 如果对天线波束进行控制, 需要对不同子阵的电源进行通断操作。若对电源的通断控制需要到物理现场进行操作, 则费时费力, 因此在主控台应该能方便地控制每一台电源的开启和关断。

(3) 地址自动识别。众多的电源需要唯一的身份地址来标识出其所在的物理空间地址, 方便维护和更换。

(4) 故障定位功能。通过实时查看电源的电压值和电流值, 与历史数据进行比较, 能方便的定位故障点, 减少系统故障的平均维修时间。

(5) 程序在线更新功能。众多的雷达电源分散在不同的空间上, 而监控板又安装在电源内部, 拆装需要消耗大量的人力和物力。因此电源必须具有在线更新能力, 能通过CAN总线实现远程更新而不需要拆装电源。

3 电源监控系统硬件设计

为了实现以上功能, 电源监控模块采用dsPIC30F4012作为控制核, 该控制器具有24位宽指令, 16位宽数据总线, 9路模数转换器。1个CAN接口, 多个输入/输出 (I/O) 口。监控模块的硬件设计包括开关量采集、模拟量采集、地址识别和CAN通信4个部分。图1为电源监控模块的硬件结构图。

3.1 开关量采集

本监控模块可以采集4路开关量, 用来指示电源当前有无故障, 以及故障的类型。开关量采集电路如图2。

3.2 模拟量采集

为了直观地反映电源的状态, 就必须对电源的电压和电流进行采样。模数转换器 (ADC) 接口最高电压不能超过5V, 否则会损坏模数转换器接口, 而电源的电压值一般远远超过该值。所以必须对采集信号进行调理后方能送入控制器进行采样。监控模块的调理部分采用差动式放大电路的接法, 如图3。差动放大电路可以用来放大差模信号, 同时抑制共模信号, 而且能有效地减小由于电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移。在本方案中选用德州仪器 (Texas instruments, TI) 公司TLV2274低噪声运算放大器, 具有很宽的低压动态响应范围, 具备高输出驱动能力以及低功耗关断控制功能, 能很好地满足采样精度的要求。经过差分放大以后, 增加RC滤波以去除电源的高频纹波。而稳压管是为了在电源电压失控的情况下保护AD口不受损坏。

3.3 地址识别

在数量众多的电源监控设计中, 每个电源都必须有一个唯一的地址, 这样才能方便地使用、维护和维修。目前常用的方式是:每台电源在使用之前根据装入位置信息, 使用配置软件通过通讯协议一次性写入身份地址;身份地址存放在电可擦可编程只读存储器 (Electrically erasable programmable read-only memory, EEPROM) , 更换位置必须要重新刷写该地址。这种方式的主要缺点是每台电源在使用前都要进行地址配置, 更换位置需要重新烧写地址。电源监控板自动识别地址, 即读取电源插槽的信息来确定自己的地址。图4为地址自动识别电路图。

每个电源机架插座两针之间跨接一个电阻, 恒流源的正端和机架n的输入相连, 机架n+1的输出和机架n的输入相连, 机架1和恒流源的负端相连。在数据汇总上电时, 每个监控模块对Vn进行采样, 根据Vn值确定出自己的地址。Vn的计算公式为

式中, IC为恒流源的输出电流, Ri为跨接电阻值。

dsPIC30F4012的AD分辨率为10位。理论上可以分辨出0.002V的电压。考虑到实际电路和使用环境, 每个地址之间的压差保持在100mV, AD可以准确识别。采用地址自动识别后, 电源的状态完全统一, 电源的地址只和机架的位置有关, 更换备件时不再需要烧写地址, 提高了系统的可维修性。

3.4 CAN通信

通信模块主要实现电源监控数据的上传和程序的在线更新。目前流行的CAN总线具有较强的抗干扰能力, 可以在强噪声干扰和恶劣工作环境中可靠的工作[4]。在CAN总线设计时, 需要注意的是CAN总线在雷达这种恶劣的电磁环境下, 各节点之间存在很高的共模电压, 虽然CAN接口采用的是差分传输方式, 具有一定的抗共模干扰能力, 但当共模电压超过CAN驱动器的极限接收电压时, CAN驱动器就无法正常工作了, 严重时甚至会烧毁芯片。因此, 为了适应强干扰环境必须对CAN总线各通信节点实行电气隔离。本方案采用亚德诺半导体技术公司 (ADI) 推出的adum1201, 它采用的icoupler技术是基于芯片尺寸的变压器, 而不是基于光电耦合器所采用的发光二极管 (Light emitting diode, LED) 与光电二极管的组合。这种技术由于取消了光电耦合器中的光电转换过程, 并且采用了icoupler变压器专利技术集成变压器驱动和接收电路[5]。从而实现了光电隔离器无法比拟的性能优势, 在强干扰下能保持通讯的正常工作。

4 电源监控系统软件设计

软件采用模块化的设计思想, 主要包括数据采集、快速保护、CAN通信和程序在线更新4个模块。其中前3个模块相对简单。在工程应用中程序由于用户要求或者BUG的修订常常需要进行更新。本节主要介绍利用dsPIC30F4012运行时自编程 (RTSP) 实现程序的在线更新。

程序在线更新的主要结构为CAN接口接收待编程代码放入缓冲区, 关闭看门狗后, 软件进入相应的软中断。然后对Flash进行操作, 其流程如图5。

程序在线更新的主要流程为:程序上电后进入正常运行状态, 此时接收CAN总线数据命令。若是查询命令则返回当前的状态数据, 若是升级命令则接收数据覆盖旧程序。本方案中, 由于应用程序不是很大, 所以将程序存储器中应用程序区分为两个部分, 在程序升级时轮流覆盖这两个区, 这样更新了新版本又保存了旧版本, 可以确保在程序更新失败或者新程序由于某种原因运行不正常时, 引导程序将应用程序切换到旧版本。基于以上说明, 程序更新的流程如图6。

其中如何读/写程序存储器, 在参考文献[6]中有很完整的原理说明, 也有完整的源代码, 可直接使用。程序更新完成后, 必须对系统进行复位。

5 结束语

雷达电源监控模块功能需求分析表明数字信号控制器可以很好地完成系统的各项功能。而Microchip微控制器dsPIC30F4012为电源监控提供了有效的实现途径, 大大提高电源监控模块的可靠性和灵活性, 降低了系统成本, 同时改进了总线传输方式, 克服了传统的工业总线RS485的缺陷。

摘要：分析雷达电源监控模块的现状和问题, 在此基础上讨论电源监控模块的功能需求。选用Microchip dsPIC30F4012微控制器为控制核, 设计一种可靠性高、成本低、通用性强的雷达电源监控模块。该模块为电源监控提供了有效的实现途径, 改进了总线传输方式, 克服了传统的工业总线RS485的缺陷。

关键词：电源监控,数字信号控制器,控制器局域网络 (Controller area network bus, CAN) 总线

参考文献

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[5]李英, 徐钊.单片机与嵌入式系统应用[J].新器件新技术, 2006 (4) :45-47.

dsPIC 篇6

开关磁阻电机作为调速电动机开发应用已有近30年历史了。按可逆性原理,利用该电机也可将机械能转换成电能输出,在发电系统中作为发电机工作。开关磁阻发电系统在航空中有较为广泛的应用。在国外,如美国已把开关磁阻发电系统作为未来多电飞机和全电飞机电源系统的首选方案[1]。Lockheed Martin公司研制的联合攻击战斗机(Joint Strike Fighter)F-35将成为欧美的新一代的主战机型,其主电源系统就是采用具有起动/发电双功能的270 V、80 kW开关磁阻电机系统。在国内,南京航空航天大学开关磁阻电机课题组率先对开关磁阻起动/发电系统进行研究,尤其是在发电控制策略,发电品质以及无位置传感器技术控制等方面的研究成果显著,并且还完成了3 kW、6 kW和7.5 kW多套原理样机的开发[2,3]。另外,西北工业大学也展开了对开关磁阻发电控制系统的研究,研制了4 kW、直流270 V试验样机[4]。

对于开关磁阻发电系统来说,发电机转速越高,其发电品质越好。但到目前为止,特别是对高速或超高速下运行的开关磁阻发电控制系统的研究比较少。而在开关磁阻发电控制系统中,选择一款合适的芯片作为整个系统的控制中枢是至关重要的。本研究主要介绍dsPIC33FJ256MC710在高转速开关磁阻发电控制系统中的应用。

1 开关磁阻发电系统工作原理和控制方案

开关磁阻发电系统由双凸极磁阻电机、双向功率变换器、转子位置检测器(或非直接位置检测器)和控制器组成。发电控制系统根据电机的位置检测器产生的转子位置信号控制功率开关电路中开关管的通断,改变相电流的生成位置,使电磁转矩为负,使机械能转化为电能。电机为12/8结构,转子上无绕组,定子每个齿极上设有一个集中线圈,径向相对的两个线圈形成一对磁极,称为“一相”。这样共组成6相,可满足双通道开关磁阻发电系统的需要。本研究以单通道为例,简要阐述其工作原理和控制方法。

开关磁阻发电机工作状态电流波形如图1所示。图1中,θ角定义为该相转子齿槽轴线与定子齿极轴线之间的夹角。当转子槽轴线重合时,该相电感最小(定义为θ=0°),当转子齿极轴线与相应定子齿极轴线重合(定义θ=θm)时,该相电感最大。根据电磁场基本理论,伴随磁场的存在,电机转子的电磁转矩同时存在,可以表示为:

若在电感下降区形成电流,产生负转矩,即电机吸收机械能,并可能把它转换成电能输出,故此时开关磁阻电机为发电机工作。

开关磁阻电机控制参数较多,控制灵活,这也是开关磁阻电机的优点之一。对于开关磁阻发电系统有3种常用的控制方案:脉宽调制控制、角度位置控制和电流斩波控制。本研究设计的控制系统运用的是角度位置控制方案。根据图1中相电流波形可知,θ1和θ2分别为开通角和关断角,即主开关管开通和关断时对应的转子位置角度,对其进行调节可影响发电的励磁过程及相电流。通常开通角θ1在θm之前即在电感上升区,关断角θ2在θm之后即在电感下降区,开通角提前、关断角推后都可以增加励磁时间、增大励磁电流ic,从而加大励磁强度。角度控制的优点是电机转矩调节范围大、运行效率高,缺点是不太适用于低速。转速降低时,旋转电动势减小,使电流峰值增大,必须进行限流,因此角度位置控制一般用于转速较高的应用场合。

2 控制系统硬件设计

开关磁阻发电控制系统的硬件部分主要包括控制芯片单元、电流电压检测电路、斩波电路、位置信号输入电路等。作为该系统的核心控制单元,dsPIC33FJ256MC710的CPU为改进型哈佛结构。有16位宽数据总线,支持优化的乘除法运算,闪存程序存储器最大有256 KB。另外,还包括定时器、输入捕捉、比较输出、模/数转换等功能模块。

控制电路硬件结构如图2所示。单片机输入信号主要有:开关磁阻电机的三相位置信号,由输入捕捉模块完成;功率变换器母线电压电流及各相电流通过采样电路得到的信号,由A/D模块进行转换。输出信号主要有:根据三相位置信号经单片机计算处理后的开关延迟脉冲,该功能由输出比较模块完成;内部的串行外设接口用来设定软件斩波限,传输给外部DAC芯片。

另外,PGD/PGC是编程以及调试引脚;通用异步收发器同上位机进行485通讯;增强型控制器局域网用于和其他单片机通讯,而故障检测电路主要用于判断和产生过流、过压等故障信号,直接传送给CPLD,起到保护作用。同时,本研究设置单片机的一些I/O端口用来控制外围电路的LED指示灯或其他应用。

控制系统选用的CPLD型号为EPM3128ATC100-10,是ALTERA公司推出的一款低功耗、高性能MAX3000A系列芯片。100个引脚的封装中有80个可编程I/O端口。CPLD的程序是采用ALTERA公司集成开发环境QuartusII 8.1中的VHDL硬件描述语言与原理图设计相结合的方式由顶至底地实现。

CPLD的功能主要是将三相位置信号、单片机延时脉冲信号、斩波信号以及故障保护信号进行组合逻辑综合后形成三相不对称半桥六管的控制信号。在控制电机发电的同时,也起到了保护整个系统安全的作用。

在开关磁阻电机起动过程中,因为转速低、三相位置信号的周期长、频率低,Timer2定时器不断溢出,单片机不能产生延时脉冲。那么这种情况下,就采用位置信号直接输出的控制方式。当转速较高时,再应用单片机控制输出的延时脉冲。

在控制系统电路中,若相电流大于设定的斩波限,则产生电流斩波信号。该信号输入到CPLD中的斩波延时模块,会产生有一段固定延时时间的斩波延时信号,再输入到三相综合输出模块处理。

故障信号处理模块会响应母线过流过压,三相过流和紧急停车等故障。只要有故障产生,该模块会将信号传送给综合输出模块,立即关断输出。另外,三相信号的综合输出模块是CPLD的核心部分,该模块将输出选择信号、斩波延时信号、故障信号、斩波方式信号等进行逻辑综合,控制输出脉冲的同时,也对功率管和电机起到了重要的保护作用[5]。

3 控制系统软件设计

该控制系统的软件部分主要包括时基管理、位置信号捕捉、延时脉冲输出、通讯以及转速计算和数字调节器等功能模块。下面主要介绍输入捕捉和输出比较模块的软件实现。

开关磁阻发电机的角度位置控制对实时性要求较高,特别是在高速运转时。而dsPIC33F系列单片机的输入捕捉和输出比较模块能较好地完成开关磁阻发电机高速时的控制。该款单片机有8个输入捕捉引脚和8个输出比较引脚,可满足12/8结构开关磁阻发电机的需要[6,7,8,9,10]。

dsPIC33F系列单片机的输入捕捉模块用于在输入引脚上有事件发生时,捕捉来自两个可选时基之一的定时器值。输入捕捉功能在需要进行频率(周期)和脉冲测量的应用中很有用。

输出比较模块是将定时器的值与一个或两个比较寄存器的值(取决于所选的工作模式)作比较。当定时器值与比较寄存器值匹配时,输出引脚的状态发生改变。输出比较模块通过在发生比较匹配事件时改变输出引脚的状态,产生单个输出脉冲或连续输出脉冲。

由开关磁阻发电机角度位置控制原理可知,发电系统主要通过控制开关角,即延时脉冲来进行发电控制。该控制系统以Timer2为输入捕捉的时基,工作模式设置为捕捉位置信号的上升沿时Timer2计数寄存器的值,并在每个捕捉后自动产生中断。本研究将比较输出模块设置为延时连续脉冲模式,该模式会在每个定时器周期提供一个输出脉冲。开始时比较输出引脚为低电平,定时器值与输出比较(OCxR)寄存器进行比较,在比较匹配时引脚被驱动为高电平。当定时器值与辅助输出比较(OCxRS)寄存器进行比较,在比较匹配时引脚被驱动为低电平,这样就产生了一个延时脉冲。而在开关磁阻发电机的角度位置控制中,需要根据位置信号的上升沿或下降沿,经过计算,产生一个以该跳变沿为基准的开通延时角和关断延时角,即得到一个延时脉冲来进行开关磁阻电机的发电控制。所以该款单片机能满足开关磁阻发电控制系统的需求。

输入捕捉和输出比较时序如图3所示。图3中, Pin为开关磁阻发电机某相的位置信号。输入到单片机的一个捕获引脚。R1和R2分别是此位置信号连续的两个上升沿。当有一个上升沿产生,此时的时基值随即会被输入捕捉模块所捕获,自动产生一个输入捕捉中断Interrupt,并进入中断服务子程序。在中断服务子程序中取一次捕捉缓冲器的值,进行处理。位置信号周期脉冲数为Tn=ICxCUR-ICxRE或Tn=PR2-ICxRE+ICxCUR。其中ICxCUR为此次捕获值,ICxRE为上次捕获值,PR2为Timer2周期寄存器值。这样可以得到周期Tn。再根据下式可计算出转速:

其中,fc为脉冲频率5 MHz,12/8结构开关磁阻电机的Zr为8。

在比较输出子程序中,本研究根据Timer2的周期寄存器和延时脉冲通断时刻T1,T2的大小,来设置比较寄存器OCxR和辅助比较寄存器OcxRS,产生所需要的延时脉冲Dout。其中CitaDelay1和CitaDelay2为延时脉冲数。输入捕捉和输出比较的程序流程图如图4、图5所示。

4 实 验

输入捕捉和比较输出功能是dsPIC33FJ256MC710单片机实现开关磁阻发电控制的核心模块,下面就针对这两个模块在位置信号频率为20 kHz时进行实验。

12/8结构的开关磁阻电机的位置信号周期为45°,软件中设定的开通延时角度和关断延时角度分别为15°和37°。实验中,电机位置信号频率为20kHz,这个频率对应的电机转速为150 000 r/min。实验波形如图6所示。 纵轴为位置信号和延时脉冲电压的幅值,每格1 V;横轴为时间,每格1 ms。图中上方1号波形为位置信号波形,下方2号波形为延时脉冲波形。 由实验波形可知,在150 000 r/min转速下,以位置信号的上升沿为0°基准,能准确地产生开关角分别为15°和37°的延时脉冲,由此验证了该控制系统在高转速下满足开关磁阻发电系统的要求,实时性好,运行可靠。

5 结束语

本研究分析了以dsPIC33FJ256MC710单片机作为主控芯片的开关磁阻发电控制系统,充分利用了单片机丰富的片内资源和高效的运算处理能力,特别是输入捕捉和输出比较模块,使得其对开关磁阻发电机高速时的控制更容易实现,也更加可靠。研究结果表明,该控制系统对高速时开关磁阻电机的发电具有一定的实用性和指导意义。

摘要：针对高转速运行的12/8结构开关磁阻发电机,构建了一种以dsPIC33F单片机为主、复杂可编程逻辑器件为辅的控制系统。通过对开关磁阻发电机工作原理和该单片机相关模块的分析及应用,给出了控制系统的硬件设计和主要模块的软件配置及控制流程。最后由调试得到了核心模块的实验波形。实验结果证明,该控制系统可以满足开关磁阻电机高速时发电的需求,整个控制系统设计合理、性能可靠,容易实现系统控制。

关键词：开关磁阻发电机,输入捕捉,输出比较,控制系统设计

参考文献

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dsPIC 篇7

1 总体结构设计

本论文采用的是dsPIC30F6014芯片, 该芯片的强大的计算能力和完善的控制功能完全能够满足电机控制系统的需求。

基于dsPIC30F6014的电机控制系统整体结构设计示意图如图1所示。dsPIC30F6014通过捕获单元捕捉电机转子位置传感器上的脉冲信号, 计算转子位置, 并向智能功率驱动模块输出合适的驱动逻辑电平, 再由其驱动电机旋转。dsPIC30F6014根据捕获的霍尔位置传感器脉冲信号的宽度计算出电机的当前速度, 与电机的设定速度比较后, 产生转速偏差信号。该偏差信号经P I D调节产生电流参考给定;将该给定参考与实际电流再作比较, 产生电流偏差信号, 经P I D算法产生适当的P W M信号控制电机的转速。dsPIC30F6014通过A/D、I/O口采集电机转速设定值和电机的起停、正反转、制动命令来控制电机的运转状态, 驱动保护电路可完成电机的过流、低电压、驱动时序异常等故障保护。

2 电机控制系统硬件设计

在本控制系统中, 由于整流电路设计已经很成熟了, 具体可以参考相关电路设计资料, 故此文不予赘述。

2.1 智能功率驱动模块设计

功率驱动部分是控制系统的一个重要组成部分, 在本电机控制系统的设计中, 采用了IR公司的IRAMS10UP60A, 这一款智能功率集成驱动电路, 其内部集成了多种功能电路, 大大地简化了系统硬件电路, 而且同分离元件组成的功率驱动电路相比, 它的安全性、稳定性和可靠性都要更好。该模块内部的自举电路和过温/过流保护电路是保证闭环速度调节控制系统功能实现的重要电路。

2.2 检测电路设计

2.2.1 位置检测设计

本研究论文采用的无刷直流电机自带霍尔元件式的位置传感器, 该传感器由静止部分和转动部分两部分组成。通过遮光盘的齿部的遮挡与不遮挡, 使霍尔元件产生高、低电平信号, 从而提供了电动机的转子位置信息。当电机转轴逆时针转动时, 遮光盘的齿部进入霍尔传感器定子内, 此时由于永磁块的磁力线被齿部所短路, 磁力线不穿越霍尔元件, 霍尔元件输出为“1” (高电平) ;当齿部离开时, 磁力线穿越霍尔元件, 霍尔元件输出为“0” (低电平) , 这样, 根据这三个霍尔元件的输出状态, 就可以准确地确定转子的磁极位置。

2.2.2 电流采样设计

电流信号的采样一般情况下有两种方式:采用采样电阻或采用电流传感器。采样电阻可以直接将主电路的电流信号转化为电压信号送给控制电路, 输出电压直接正比于主电路流过的电流。因此在本设计方案中, 采用一个采样电阻来检测电机相电流的大小, 电阻位于三相全控功率变换电路的下端功率桥臂和地之间, 具体设计电路略。

3 电机控制系统软件设计

如图2所示, 是基于dsPIC30F6014单片机的电机控制系统软件流程图。在本控制系统上所运行的软件按照模块化思想, 将电机控制系统过程中各不同功能设置为单独的模块, 在调用不同的功能模块时, 只要添加单独的中断函数模块即可, 这样使得软件移植及升级非常方便, 真正实现硬件平台通用的特点。

4 结语

随着高性能微处理器芯片的出现, 用简单的硬件结构实现复杂的功能成为可能。与一般传统电机控制系统相比, 本文提出的基于dsPIC30F6014高性能数字信号控制器的电机控制系统不但提高了运行速度, 而且由于采用单芯片的硬件结构, 简化了电路设计, 缩短了开发时间, 降低了开发成本, 基本实现了总线不出芯片的设计思想, 提高了保护的可靠性和抗干扰性。

摘要：针对传统的电机控制系统采用普通单片机而带来的电路复杂、控制精度较低等问题, 本论文采用dsPIC30F系列单片机, 设计了完整了电机控制系统, 并采用模块化的设计思路给出了详细的硬件和软件设计方案, 对于进一步提高和完善电机控制系统的单片机化和高度集成化的水平具有一定的借鉴意义。

关键词：dsPIC30F,单片机控制系统,电机控制

参考文献

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