TI---2007开发商大会

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利用C2000数字信号控制器开发可变频控制器

——北京瑞泰创新科技发展有限公司总经理刘荣博士

时间：2007年6月19日下午
地点：北京喜来登长城酒店宴会厅二会场

主持：我们下面的是关于马达控制的，是C2000的特别的专区，我们特别的请了我们的合作方，北京的瑞泰创新科技公司，他们作了很多的应用支持，特别的是关于变频，还有在系统的方案上作的相当的工作，我们利用这次的机会请我们的刘荣博士介绍一些！谢谢！

刘荣：大家好，非常的高兴和大家交流TI C2000的应用，下午主要介绍TI公司，主要是技术层面和芯片内部，我这里主要介绍TIC2000的DSP的应用，主要在变频器的应用，而且是目前行业特别是工业的行业是非常成功的应用，也是TI设计的C2000DSP的5－6年的时间一个不懈努力的结果。

下面分几个部分介绍，首先是DSP的应用，主要是变频器，这里介绍一下变频理论的原理，第二介绍变频器的硬件的设计，硬件的方案，肯定是单芯片的，肯定有很多的软件作，特别是发挥DSP特长的是算法，就是第三部分介绍DSP算法，第四把成熟的变频器的方案介绍给大家。

首先介绍什么叫做变频器，在控制电机的应用上，电机这个行当和控制这个行当实际上不是两个细分的方面，作电机的只作电机，作控制的只作控制，作电机要让电机很好的工作，一般的电机给输入一个交流电可以完成工作。这种工作是比较粗放性的。逐渐随着工业的发展，我们希望对电机进行控制，希望它按照我们的要求作，希望转到20赫兹、50赫兹和70赫兹可调，理论上我们发现可以改变电机的输入频率，我们改变频率之后，会按照我的要求作。我们对电机控制的时候，不能改变频率，我的电机就按照我的要求转，假如说输入频率改变到20赫兹，电机的性能不能变对电机的输入环节控制，得到一个结论，改变电机频率的同时，要保证电机的特性基本不变，反应电机的性能，比如我们需要电机的力矩，我们在这个时候，我们改变了电机的输入频率，这个要改变它的电压，是变频变压，这个控制必须这个控制器来控制电机，可以控制交流和直流电机。

我们用这种变频的方式控制电机的模式有什么好处？首先第一可以实现电机的无机调速，这个很重要，我们用智能的方式控制电机他可以平稳的工作，甚至零点几赫兹，这个很重要。第二早期的控制电机如果是在50赫兹，会工作在50赫兹以下，我们控制之后可以工作在50赫兹之上，这个是用变频变压的模式控制电压的第二个优点。

同时讲对电机的控制可以提高控制精度，对电机的效率提高。同时我们在控制电机的过程当中，我们使用智能的处理器按照变频变压的控制，因此我们的控制不需要很多的外部设备，用非常智能的方式作。还有一个更好的优点是我们用了这种智能的C2000DSP，把所有的控制环节用网络的方式连接在一起，这个大家看到TI的芯片介绍的时候，有很多的接口，TI还有会开发网络的接口芯片，这种是电机控制智能化的方向。这边是作电机控制的优点。

既然我们把这个电机按照我们的模式工作，这么多年一直来讲为把电机控制好作了很多的工作，基本上分为几个层次，一个是开发电机控制的算法，这个部分目前讲基本上集中在两大算法，一个是V/F算法，因为我们控制的时候有简单的推导公式，电压和频率是常数基本上保证电机的磁通，能够控制电机的性能不变，这个是我们的早期成熟的算法。现在目前用的V/F算法非常的流行，但是已经作了很多的改进，分为很多段，可以设置不同的拐点，一般有2－3个拐点，不会给用户带来麻烦，实际上真正的某个用途，比如说风机只需要1－2个拐点就可以了，这个是V/F算法。在80年代电机专门推出了矢量变频，理论上已经很长的时间了，真正的使用刚这几年。因为单片处理器越来越快，给矢量算法提供了一个空间，从理论到实践走了一个完美的实现。

这个是算法的层面，目前讲，从工业应用看，这两个算法是并存的，我们和学校的老师打交道，他们都比较关心适量算法，因为学校比较超前。这个是第一部分。

第二部分是我们控制电机，所有的DSP弱电的模式，这些没有办法驱动电机，有一个功率的模块，早期用晶体管，现在用IPM模块，现在发展的非常快，这些IJVT和IPM的发展为现在的算法提供了新的要求，刚才讲的时候PWM有多快，能够快速怎么样开关，早期是几十K或者更小，这样对DSP控制的要求不是很高，但目前讲，随着参数提高，为设计能够提出更高的要求，才能够把设备作的非常好。

这个是第三部分，我们有这样的算法，我们用处理器来实现这种控制，实际上因为变频器的架构比较固定，早期包括现在很多的产品是固定的及分离元件，从长远来讲，我们产品一定要运算单元，变频器的控制不可能是一台PC机，有一些产品是PC机也可以，但是作为变频的控制一定是嵌入式的产品，相当很小的板卡，这个部分的发展这几年早期用单片机比较多，象英特尔的C196，现在可以说是百家争名，很多都用比如说SOPC，DSP、智能的ACIC作，假如说简单的控制哪种都可以，把控制部分和算法结合在一起，发现DSP是最好的选择。

这个是变频控制所有的架构，从技术上讲，从输出的控制讲，从核心的外设的接口是PWM，作变频控制不可缺少的，特别是设计了SRPWM的架构下了很多的工夫。

这个是把变频器的历史介绍了一下，大概需要4个方面，必须有机的结合在一起，目前来讲，原来每个部分可以独立作，现在把4个部门集成在单个的DSP完成。那么单个的DSP作的时候，有哪些优点？第一可以节省能源，比如说作水泵的控制，了解这些行业水泵的控制，在现在的房地产都有水泵的应用，我们和行业的人了解，现在的变频器有的很便宜，用变频器控制水泵一天省的钱就可以再买一个变频器了，节省能源的方面变频器发挥了重要的作用。

第二个重要性体现在控制的质量和精度，特别在数控机床的时候，数控机床控制的时候，在洗和模的时候和改变速度的时候，假如力矩不够，作出的产品质量不好，用变频的控制可以在低速的时候磁通保证不变，这样能够保证在数控机床加工的产品符合用户的要求，产品的价格可以卖的高一些。这个是第二个重要的应用。

第三个是用在空调领域，现在主要是变频空调越来越便宜，比如说25度的时候，室外温度升高到26度、27度，如果是非变频电机会转，到25度会停止。如果用变频我们会感觉到非常的舒服。

用户接触过这个产品会感觉到非常的普遍。我们看一下变频的设计，从变频的设计讲，我的理解变频的设计是一个比较交叉的学科，因为变频的控制，实际上我们的控制是一个电机是一个强电逆变。多数的用户是学电子、信息的，弱电方式对强电不是很了解，因此这方面的人才不是特别多，学校的电器专业作大的电器，作变频的框图，通过整流以后变成直流，这个是能量的储存，最后把直流变成一个交流，去驱动电机，走这样的过程当中把50赫兹变成控制电机需要的频率，这个流程是刚才说的基本上是强电的过程，需要强电的人才熟悉的。不瞒大家说，我们公司的人遇到强电心理也不是特别的安全，我们要控制强电，如果作的速度非常快，不太可能，我们必须要控制，这个是一个大的作变频器的原理，需要两方面的人作这个事情，我把这个框图西画一下，这个是一个整流部分，把交流变成直流，这个部分是一个起动的时候需要的部分，这个时候一个大电流过来，需要电阻限流，随着稳定以后，把开关闭合，这个是起动的时候，这个是储能的，给电机供电的时候需要稳定的电流和电压，如果我们没有电容电感保护，会对电机有损害，给电机驱动的时候起到平滑的作用。这个电机转起来我们要让他们停下来，这个要慢慢的停止，有一个电机的制动部分，最后这个是在很多的资料上看到的，这个是一个逆变的控制，6路PWM控制电机的输入，在不同的频率下面工作。

我们看强电的流程，弱电的部分是人机的接口，如果实现很好的强电控制，我们看到有一些开关、一些三极管的控制，需要我们DSP的PWM作，一个好的逆变器、控制器很多的地方需要PWM实现智能的控制，假如作的非常好，从设计来讲，前段的逆变桥可以在PWM作，自动部分用PWM来作，因此讲高端的电机控制，我们需要TI的PWM的设计非常多。这个要看你的需要。这个是作电机控制的流程。这个部分需要大家有强电的经验完成，应该说是随着发展，功率模块等等都相关了解。刚才讲了，我们强电的控制部分，从我们的核心部分看大脑智能控制芯片看，我们最主要采用的保证电机怎么样工作，我们讲为了很好的控制，需要一个控制器有很多的特性和优点，第一点我们需要处理器有很快的处理速度，这个是用DSP需要这种的处理速度使电机按照我的意思反应，我和行业人士接触之后，有一些控制器控制不快，会延迟几个毫秒。第二个要求我们要求处理单元有更快的处理精度，从早期的16Bit早32Bit都在作，实际上TI的平台越来越好，从24位到28位，从16位到32位，从汇编语言到C语言，从我个人来讲，这种性能的提高让大家很快的上手，把产品开发出来，真正的DSP的开发者一定要懂得汇编语言，这个可以通过算法弥补。

第三点我们需要一个高速的AD，这个下面图看到，高速的AD在高端的电机控制我们不光是变频，是非常的有意的。

另外我们是加密的功能，TI肯定有的，还有一点因为变频有不同的方面，卖的价格不同，竞争非常的激烈，对于厂商来讲价格非常的重要，TI的PtoP对我们的电机设置非常有意义。

同时很多的DSP的外围是我们的设计变频器需要的，作变频器的控制有重要的软件，在很多的研究领域在PC机上把算法作成了，但作成了只有往DSP移植过程当中，因为C语言效率不是特别高，会发现不如人意的地方，现在有C和C＋＋的环境之后，让原来的很多产品，能够在PC机上的算法移植到DSP上去，当然也带来一个挑战，因为很多的厂家产品都开始支持C语言，你不会汇编语言之后，在TI上的算法也可以移植到其他的厂家，从目前看，TI的DSP无论是效率和库来讲，非常的完善，不是其他的厂商短期能够跟上。

这个是我们对刚才的处理器的性能软件的要求，再看我们的作为一个变频器对外设的要求，这个非常的重要，包括很多的方面，AD、QEP等，讲一下他需要的PWM，在电机的控制讲，PWM是重要的外设，很多的地方都可以用到PWM，这个是整流的部分，需要4－6个PWM，这个PFC需要1－2个PWM，PFC接触会越来越多，中国的很多产品出口，在欧洲有PFC的功能，实际上在很多的电力方面需要PFC的设计，还有DC/DC控制，刹车控制和逆变控制，这几个加起来，真正的用的非常好是12－16路的PWM是完全的需要的，有的地方控制需要高精度的PWM作，这个是我们的对硬件的要求，另外一个部分我们要实现适量的算法，或者把V/F算法提到更高，需要处理器有这种的浮点处理功能，我们看一下TI的DSP，我们作变频的功能，需要高速的处理器和很好的软件C＋＋，还有要很好的外设，我们看一下TI的哪些单元能够满足要求，我们看其中一个。

TF2401的最大的特点是封装小达32。同时是一个3.3V供电，它的整个的内部资源Flash也有，有足够的PWM，有AD而且采集的速度到500MHz，有足够的通道和速度，2401可以说是这款芯片从使用的角度讲，是目前设计的低成本的变频器的很好的选择，市场上的电机控制用2401是很好的低成本的器件，前两节TI介绍了会出更低成本的处理器，在没有上市之前，早期的设备也是可选的。

这个图剩下的器件不仔细讲了，特别是有一些洗衣机的控制，也在用2401完成。当然最新的介绍TI的280X系列的功能。我想说一句280x的最大的有点是PtoP兼容的，大家选择器件的时候在控制成本上很多的客户选择280x特别看中28015，很多用户在选择的时候一直觉得28015好用，目前28015要8周左右有货，如果说2801有也可以用。大家如果在杂志上看到2808完全可以完成的。28015特别注意2801的改进是少了一个can总线，280加入原来的用户282设计，2809内部的资源完全的一样，原来用2812设计的复杂的算法，可以选择2809。

V/F算法来讲，从历史讲应该上非常的成熟的，大家非常的认可，适量的算法现在可以说DSP完全可以完成，从工业的现状讲，还有很长一段时间用V/F算法。这个是我们作算法控制的原理框图，这个是V/F算法的框图。

我们看这个地方的电机控制进来之后，有很多的算法直线，特别是PID算法，大概走一遍，这个开关起什么作用，经常提到闭环开环的控制，我们为了控制成本，根本不需要闭环的应用，我们可以对他实现，这个电机的控制上去之后，我们最主要是产生一个V/F曲线，电压随着频率改变，从实际讲不是这么的漂亮，很多折线，这部分产生一个SW，AC－DC－AC的变化，这里DC为直流的电流电压，产生能够控制电机的交流电。

这个就是用V/F算法的大概原理，假如在适量变频作，矢量同样是电机进来之后，PID是必须的，所不同的是，里面的电机控制用矢量控制。适量变频的算法和V/F算法不同，大家看到有一个反馈。把电机的三项电流反馈给ADC，这个图用V/F算法是不需要的，这个是为什么把电流反馈给电机，这个时候坐适量算法对电机性能要了解，电机转到什么程度，它的性能，磁通的反应，我要用AD采集之后，作各式各样的算法，这个是适量变频重要的特点，因此我们的控制器要求有没有反馈，有反馈可以实现更复杂的算法。

刚才看的框图很复杂，实际上这个算法不是特别的简单，TI提供了很好的软件工具，这个图的架构大家在TI资料能够看到，所有的图那些库都是开放的，用户可以在第一时间按照硬件的架构，按照使用的DSP来实现变频的控制，当然实现完成后作一些改进。

好象是超时间了，这个我就不多讲了，下面是我们和TI的支持变频控制的应用，时间差不多了，谢谢大家！

相关链接：

下午二会场：专题：控制与量测

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