1、APPLICATION NOTE OF AC INDUCTION MOTOR CONTROL 0 Introduction0.1 Revision HistoryDate Revison ChangesApr.26 2009 0.0 Initial Revision by JoeyNov.9 0.2 Joey0.2 Purpose of This Document这个文档描述了三相异步电机驱动实例，用的是 ADI Blackfin548 DSP 和 Xilinx XC3S1000 FG456 FPGA。这个方案是通用的，可设计成驱动 3 相无刷直流电机，同时也能够适用于交流感应电机和永磁同步直
2、流/交流电机。使用这份文档要求对 C 编程，交流电机驱动和逆变电路都有基本了解。这份文档提供的代码和硬件设计能有效缩短开发者在使用 ADI Blackfin 系列芯片在电机驱动控制领域的开发周期。0.3 Suppporting Documents and Specifications1 DSP Control Manual 0.1internal document2 VisualDSP+ 5.0 Users Guidehttp:/ EE-239 Running Programs from Flash on ADSP-BF533 Blackfin Processors http:/ Hardwa
3、re reference for the ADSP-BF51xhttp:/ the FPGA implementation of the three-phase PWM blockinternal document0.4 Deliverables1 220V AC 输入，驱动板和控制板2 220V 异步电动机，面板，连接线3 VF 开环驱动电机实例 C 代码4 实例使用文档1 FeaturesADI 电机控制演示系统概述 DSP 工作于 250MHz 主频下(最高可到 525MHz) ， PWM 模块工作在 5kHz(最高可到 100kHz) ADC 模块精度可达 12-bit，采样速度 50
4、kHz，12 路通道 16 位精度正弦波发生器 具备刹车能力 (提供电流、电压、功率、温度保护 ) 免费的 C 代码和手册以供查询2 Hardware configuration 演示系统包含以下组件：1 ADI 电机驱动控制平台2 3 相异步电动机3 ADI Visual DSP 开发环境，仿真器4 面板（可选）5 附加仪器，示波器，万用表，电流探头。驱动平台和控制平台以直插接口方式相连（部分信号以连接线相连）如图所示。驱动板由220V，50Hz(110V 60Hz)市电直接供电，控制板可以由数字电源供电单独调试，也可以和驱动板一起调试，参考文档1获取更多控制板硬件接口和配置信息。Fig ?
5、-? 硬件连接图2.1 interfacing在此示例中，控制板上需要连接的接口有 JP3，JP4 ，JP8 和 JP9，驱动板上需要连接的接口有 JP2，JP4 和 JP10。U20 接口为电机反馈信号接口，需要做闭环控制时使用此接口。控制板接口 功能 备注JP3 PWM，使能输出，电源，AD 采样信号 到驱动板 JP10JP9 连接测试电机温度 跳线JP4 扩展面板串口 到扩展面板JP8 JTAG 口 到电脑驱动板接口 功能 备注JP1 AC220 市电JP2 DC 母线接口 可串接功率电阻做保护JP4 电机接口 到电机JP10 控制信号接口 到控制板 JP3U20 电机反馈接口 闭环控制
6、用Comment 11: Comment 12: 2.3 hardware characteristicsDSP控制板包含以下功能模块：ADSP-BF548 处理器；32Mbit Burst Flash；64MB DDR SDRAM；模拟 3相 6对 PWM的 FPGA；12 个通道，2 路同步采样的 AD7266；4 通道，12-bit 的 DAC；5V 到 3.3V、2.5V 、1.2V 稳压电源； 其他接口（驱动板控制信号，采样输入信号，DIDO 信号） ；UART 面板扩展调试接口；UART/ CAN/ SPI扩展接口；反馈（HALL/QEP）控制信号。功率驱动板的输入电源为单相交流
7、220伏，电源后接 10A保险丝，再接电容、电感滤波，进入整流模块。为了避免上电时对电容的冲击，加入负温度特性的电阻，NTC16D-25，启动后，由继电器将其短路，直流母线采用 2个 470Uf/450V电容滤波，控制电源采用开关，控制芯片为 TNY268；共有 4路电源输出，提供控制板的电源为 +5V，除此之外还有+15V 驱动电源，与 DSP隔离；-5V 控制用电源，与 DSP共地；+8V 输出电源，其它控制电源+5V2，与 DSP共地；功率模块用了 SK20D60，最大电流 20A，最大电压 600V，模块带有三相整流和三相逆变，同时提供负温度特性测温电阻。电压采样的信号有：直流母线电压
8、采样；交流输入电压采样；三相交流电压输出，线电压采样，由于此电压为 PWM波，要加滤波电容，交流电压为正弦波，所以，在加偏置电压（+2.5V ）后再进入 ADC，测量并计算有效值；电流采用 ACS712-5A，输出为电压值；进入 A/D（AD7266）电流采样的信号有：直流母线电流，单相交流输入电流，三相交流输出电流。3 Software Working environment set-up实例的编译是在 VisualDsp5.0+ (Update 3.0) IDE环境下编译，程序的下载是用 IDE环境自带的 Flash Programmer。Visual 软件安装，配置，工程文件的新建，编译
9、，软仿（Simulator session） ，硬件仿真（Emulator session）运行请参考文档2 ，程序的下载，脱机运行请参考文档3。硬件仿真需要的仿真器为 ADI公司原厂提供的 HPUSB-ICE3.2 Demo Application Source Code Directory Structure在整个工程文件中，除了 “.c”源文件和“.h”头文件之外，“BF548FPGAExtenderDriver.dlb”和“pwm_fpga_image.dat”这两个文件也是必须在工程中被包含。 这两个文件是用于初始化时对 FPGA模块的配置，配置成功之后， FPGA将独立工作，实现一
10、个外置的 PWM模块的功能，而 DSP对其操作类似读写寄存器。#pragma align 8section(“sdram0_bank1“) char pwm_fpga_image = #include “pwm_fpga_image.dat“;Comment 13: Comment 14: 以下代码实现的是配置 FPGA的功能，在编译环境 IDDE的 Output Windows里看到Succeeded提示说明 FPGA被配置成功，在硬件上，D13 灯被点亮也说明 FPGA被配置成功。在初始 FPGA之前尽量不要操作 FPGA所占用的 IO和内存地址（SDRAM） ，或者在程序一开始就配置 F
11、PGA，FPGA 配置完之后，初始化所占用的 IO（主要是 SPORT3）都会被释放，可做 GPIO用。访问 FPGA上的 PMW模块和读写寄存器的方式一样。更多PWM模块信息可以查看文档4和文档1 。/ program FPGA imageprintf(“Programming 0x%x bytes into the FPGA.n“, sizeof(pwm_fpga_image)-1);if (download_fpga_image(pwm_fpga_image)printf(“Failed!n“);exit(1);elseprintf(“Succeeded!n“);用到的库文件的列表及其功
12、能如下： Name Functionramp_gen.c Ramp control function generatoradpro.c ADC data processadc7266_acm.c device drive of AD7266dac5024.c device drive of DAC5024fpga_pwm.c pwm module on fpgaclarke.c clarke transformpark.c park transformiclarke.c inverse clarke transformipark.c inverse park transformencode.c
13、 device drive of encodersv_gen.c svpwm generatorv_hz.c voltage frequency controlspeed.c speed calculate processpid2_cntl2.c PI parameters setting其他的源文件实现的功能如下表Name FunctionezkitBF54x_initcode.c setting of cclk, sclk, ebiuinitial.c initialize the whole systemlcd.c panel display and keyboard drivemain
14、.c main loopComment 15: Comment 16: mtc.c motor control of PMSMprotect.c protect setting on current, voltage, temperature etcSCI.c communication protocol to pannelspi.c spi drive use in eeromtimer.c system timeruart.c uart drive filter.c design of digital filterfoc.c intialization of field oriental
15、control3.2.1 System Parameters and InterruptsPLL缺省设置 CCLK=375MHz，SCLK=62.5MHz。系统调用了 4个中断资源，分别为 PWM SYNC中断，用以更新 PWM周期定时寄存器值；PWM TRIP中断，用以故障时关断 PWM输出信号；CORETIMER 中断，用以作为系统时间标志；UART 中断，用以和面板进行通讯。更多信息如下表所示：中断名 Function 优先级 频率register_handler(ik_ivg9, pwm_sync_isr)； update the register of PWM module9 12.
16、5kHzregister_handler(ik_ivg8, pwm_trip_isr); brake the PWM output 8 NULLregister_handler(ik_timer,CoreTimer_ISR);system timer 0 25kHzregister_handler(ik_ivg14, DMA8UART1_ISR);UART receive 14 9600bpsregister_handler(ik_ivg11,GPTimer_ISR);use for ADC sampling 11 8kHz注：优先级值越低，优先级越高。PWM选取单更新模式。PWM 同步信号
17、SYNC为内部时钟，不外接信号，TRIP 可做保护输入。PWM 输出使能脚高电平有效。第三版硬件中，ADC 的采样和转换结果保存与 PWM中断同步进行，与 PWM的SYNC中断非同步运行，在每次进 PWM的 SYNC中断时，读取 5对 10路 ADC的转换结果。第二版硬件中，ADC 中断与 PWM的 SYNC中断非同步运行，在每次进 ADC中断时，读取 1对 2路通道，下一次再读取下一对 2路通道转换值，ADC 的中断频率（每两个同步通道采样频率）为 50/6=8.333kHz。第二版与第三版 ADC部分的区别参见文档1 。DAC转换频率缺省配置 25kHz输出。输出范围为 02.5V。单极性
18、。3.2.2 Analog to Digital Converter电流的采样由电流互感器完成，互感器的精度为 185mV/A，ADC 为+-2.5V 双极性输入，总量程为 5V，采样输入值在程序中被移位后为 16位有效数值，因为 ADC为 12位精Comment 17: Comment 18: 度 ADC，所以最后 4位为 0。故电流的变比缺省计算公式如下：K = 65504500/0.185 = 0.04126011500代表 5V，0.185 代表 185mV，65504 代表 16位精度，最后 4位为零。电压的采样由电阻分压完成，ADC 为+-2.5V 双极性输入，总量程为 5V，缺省
19、计算公式如下：K = 360/65504500 = 0.74792378500代表 5V，360 代表电阻分压变比系数， 65504代表 16位精度，最后 4位为零。浮点数值由 VDSP自带的库函数转换成定点数，可以根据硬件的改动，更改变比值，进行增益补偿。需要注意的是，直流电压输入是单极性的，比如温度的直流电压输出和直流母线电压的输出，直流其他电参量都是双极性，比如直流电流的输出。12 位 ADC的输入为05V，在程序内部被移位（方便之后计算）至 16位。但编码方式为二进制补码。因此编码转换值 0代表的输入电平为 2.5V。如下图所示：3.2.3 PWM Module Reload Time
20、rPWM的配置需要做以下步骤1) 初始化 PWM模块，设置 PWM周期和死区寄存器值。2) 初始化 PWM TRIP和 SYNC中断3) 响应中断并更新比例寄存器值PWM的占空比寄存器 PWMCHA/PWMCHB/PWMCHC更新是在周期中断 sync interrupts中完成。 TRIP中断的功能是在特殊情况下停止 PWM周期中断，它是由 IO低电平触发，可做保护用。需要注意的是 ADI公司的 PWM模块寄存器是二进制补码型，如下图所示， Comment 19: Comment 110: Comment 111: 举例，若 PWMTM=1000，不考虑死区时，送 PWMCHA=-250时，
21、低有效时，AH 占空比为 25%。更多 PWM的配置信息请参考文档43.2.4 Led and Keyboard（第二版）在控制板上有四个指示灯 D14，D16 ，D17，D18 作为电机运行状态指示灯，D14为电机启动指示灯，D17 为电机参数修改后存储指示灯， D18为电机故障报警指示灯，D16缺省。另外，D15 为上电正常指示灯，D13 为 FPGA配置正确指示灯。控制板上有两个按键 SW2为 FPGA复位按键，SW3 为 DSP复位按键，按下 SW3的同时，会复位 FPGA的配置。（第三版）在控制板上有三个指示灯 D14，D16 ，D17 作为电机运行状态指示灯，D14为电机启动指示灯
22、，D16 为电机参数修改后存储指示灯，D17 为电机故障报警指示灯。另外，D15 为上电正常指示灯， D13为 FPGA配置正确指示灯。控制板上有四个按键 SW2为 FPGA复位按键，SW3 为 DSP复位按键，按下 SW3的同时，会复位 FPGA的配置。SW1和 SW4缺省。在面板上有八个按键，作为电机启动停止，菜单切换，参数加减，存储取消功能的实现，菜单的按键操作参考文档6。3.2.5 Protection实例程序内缺省有以下包含，直流母线电压的过压保护，电机相电流过流保护，温度保护，HALL 信号断线保护。电压电流的保护都是在内核时钟中断（CoreTimer ISR）中监测动作，温度保护
23、相应动作较慢，在主程序中实现。缺省设置电压保护阈值 20%，电流保护阈值为额定值的 2倍（不计电机启动时） ，过载保护的阈值 20%，温度的保护曲线由查常用规格的阻温特性表得到，见附录 A。温度的计量范围缺省为-20 度到 100度。u16 TepCurse =37400 , 35726 , 34052 , 32378 , 467 , 453 ;曲线值存于数组 TepCurse之中。在菜单 200目录下可以设置电流和功率的阈值。3.3 induction motor controlVF曲线的设定在 ramp_init1()函数内，如下void v_hz_init(VHZCNTL *vhzcnt
24、l)vhzcntl-Freq = 0; / Input: Input Frequencyvhzcntl-VoltOut = Max_Duty_Value*4/100; / Output: Output voltagevhzcntl-LowFreq = Theta_Increment/10; / Parameter: Low Frequency vhzcntl-HighFreq = Theta_Increment*2/5; / Parameter: High Frequency at rated voltagevhzcntl-FreqMax = Theta_Increment*6/5; / Pa
25、rameter: Maximum Frequencyvhzcntl-VoltMax = Max_Duty_Value*9/10; / Parameter: Rated voltagevhzcntl-VoltMin = Max_Duty_Value*4/100; / Parameter: Voltage at low Frequency range 各变量所对应的物理量如下图所示。Freqin 由 ramp_calc()函数计算所得。感应异步电动机的 VF 控制基础请参考相关电机控制资料。4 system bulid and run这章节介绍调试实例的步骤。开环程序的框图如下图所示，在上电初始化
26、各接口驱动之后，触发 PWM 定时中断，在接受到电机启动信号之后，电机定子电压频率开始上升到设定值，在有故障发生的情况，比如堵转过流或是断相，PWM 输出会被关断。在菜单 100 下可以查看电机正常运行时测量的各电参量P e r i p h e r a l i n i t i a l i z a t i o nE n a b l e I n t e r r u p t sR U N ?U p d a t e D u t y C i r c l e R e g i s t e rV o l t a n d C u r r e n t p r o t e c tS t a t e = I D L
27、EN OS T O PY E S4.1 build step在初次上电调试实例程序时，建议按照第二章节硬件配置正确连接各信号线和电源线。控制板可以由稳压电压供电独立调试，在确保控制板输出波形正确的情况下，可以先将驱动板 JP2 保护电阻取下，用示波器观察模块上下桥臂输出波形，在确保波形正确的情况下，再连接电机，上电实验。调试的步骤如下：1）在不连接控制板的情况下先正确连接信号线和电源给驱动板上电。用万用表测量供电是否正常后断电。电机和驱动板 JP2 先不接。2）插上控制板后，连接仿真器再上电编译通过实例程序，带仿真器硬件仿真或是下载程序到 FLASH 准备脱机运行。3) 在电机和驱动板 JP2 先不接的情况下。按面板启动键 START，查看 PWM 输出波形是否正常后断电。4) 连接电机 UVW 线和 JP2，重新上电后，按面板启动键 START，查看面板菜单 100 下显示各电参量，观察电机运行情况。5) 修改菜单 200 下频率设置值，按 ENTER 键，观察电机运行情况。由于电机是在 220V 下运行，上电之后请勿用手接触驱动板上各元件和接口。所有接口插拔和硬件改动必须在断电情况下操作。
