DSP及其電氣與自動化工程應(yīng)用

前言

TI（美國德州儀器）公司的C2000系列DSP(數(shù)字信號處理器)不僅具有一般DSP所擁有的高速的數(shù)據(jù)處理能力，而且與單片機一樣，在片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)，具備單片機所擁有的事務(wù)性處理能力，所以，被稱為數(shù)字信號控制器（DSC），特別適合于先進傳感技術(shù)、電機控制和數(shù)字電源等方面的應(yīng)用。近年來，合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院將TI公司C2000系列DSP應(yīng)用于傳感器與自動化儀表、電氣傳動、電力系統(tǒng)、新能源利用和電機控制等方面，完成國家863計劃、國家科技支撐計劃、國家自然科學(xué)基金、省部委基金和企業(yè)委托項目，取得了一系列科研成果，很多成果已經(jīng)被有關(guān)單位采用，部分成果已經(jīng)在企業(yè)投入生產(chǎn)應(yīng)用，取得了較好的社會和經(jīng)濟效益。本書就是在這樣的背景下，以我們學(xué)院的科研工作為基礎(chǔ)，以實際應(yīng)用為目的，通過關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)實例，較為系統(tǒng)和全面地介紹了TI公司C2000系列DSP在自動化和電氣工程中的應(yīng)用。全書共分為6章。第1章介紹C2000系列DSP在傳感器與自動化儀表中的應(yīng)用，第2章介紹C2000系列DSP在電氣傳動中的應(yīng)用，第3章介紹C2000系列DSP在太陽能開發(fā)中的應(yīng)用，第4章介紹C2000系列DSP在風能利用中的應(yīng)用，第5章介紹C2000系列DSP在電力系統(tǒng)監(jiān)控中的應(yīng)用，第6章介紹C2000系列DSP在電機控制中的應(yīng)用。每章的結(jié)構(gòu)大致為：概述部分，簡要介紹應(yīng)用DSP技術(shù)的必要性；DSP應(yīng)用中的若干關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)；若干應(yīng)用系統(tǒng)舉例。為了方便讀者閱讀，書中給出了部分電路的原理圖、部分程序的流程圖和程序源代碼，并加以注釋?？紤]到介紹TI公司C2000系列DSP工作原理、體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和開發(fā)工具的書籍已經(jīng)出版了較多，所以，在本書中沒有安排類似C2000系列DSP概述的章節(jié)。

內(nèi)容概要

TI公司C2000系列DSP不僅具有一般DSP芯片高速的數(shù)據(jù)處理能力，而且與單片機一樣在片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)，具備很強的控制能力，特別適用于先進傳感技術(shù)、電機控制和數(shù)字電源等領(lǐng)域。本書共分6章，以作者的科研工作為基礎(chǔ)，以實際應(yīng)用為目的，通過關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)實例，較為系統(tǒng)和全面地介紹了C2000系列DSP在自動化和電氣工程中的應(yīng)用。    本書可供從事自動控制、電氣工程、計算機應(yīng)用和儀器儀表等專業(yè)的科研和工程技術(shù)人員參考，也可以作為相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的參考書。

書籍目錄

第1章  DSP在傳感器與自動化儀表中的應(yīng)用1  1.1  概述1  1.2  模擬信號采集1    1.2.1  基于TMS320LF2407A內(nèi)置ADC的數(shù)據(jù)采集2    1.2.2  基于TMS320F2812內(nèi)置ADC的數(shù)據(jù)采集8    1.2.3  基于外部ADC的數(shù)據(jù)采集11  1.3  頻譜分析19    1.3.1  FFT算法19    1.3.2  功率譜計算21    1.3.3  頻譜校正23    1.3.4  源程序及注釋24  1.4  頻率測量26    1.4.1  測量方法26    1.4.2  硬件設(shè)計29    1.4.3  軟件設(shè)計31    1.4.4  試驗測試35    1.4.5  部分源程序及注釋35  1.5  數(shù)字濾波39    1.5.1  濾波器簡介39    1.5.2  FIR濾波器實現(xiàn)41    1.5.3  IIR數(shù)字濾波實現(xiàn)46    1.5.4  自適應(yīng)陷波濾波器實現(xiàn)48  1.6  人機接口61    1.6.1  LCD62    1.6.2  鍵盤操作69    1.6.3  儀表口徑設(shè)置70    1.6.4  儀表測量下限設(shè)置71    1.6.5  總量清零操作72  1.7  輸出模塊72    1.7.1  4～20mA電流輸出72    1.7.2  脈沖輸出75    1.7.3  源程序77  1.8  數(shù)字渦街流量計80    1.8.1  處理算法80    1.8.2  一體化數(shù)字渦街流量計的硬件設(shè)計83    1.8.3  分體式數(shù)字渦街流量計的硬件設(shè)計85    1.8.4  軟件設(shè)計86    1.8.5  試驗測試92    1.8.6  小  結(jié)94  1.9  多維力傳感器動態(tài)補償器95    1.9.1  動態(tài)補償器實現(xiàn)方案95    1.9.2  硬件研制97    1.9.3  軟件研制100    1.9.4  動態(tài)補償結(jié)果110    1.9.5  小  結(jié)113  1.10  科氏質(zhì)量流量傳感器數(shù)字信號處理113    1.10.1  數(shù)字信號處理系統(tǒng)硬件研制113    1.10.2  數(shù)字信號處理算法實現(xiàn)114    1.10.3  測試平臺119    1.10.4  測試結(jié)果123    1.10.5  小結(jié)126  參考文獻126第2章  DSP在電力傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用129  2.1  概  述129  2.2  SPWM和SVPWM技術(shù)129    2.2.1  恒壓頻比控制129    2.2.2  正弦脈寬調(diào)制方式——SPWM調(diào)制130    2.2.3  空間電壓矢量PWM134  2.3  無速度傳感器直接磁場定向控制技術(shù)143    2.3.1  磁鏈觀測器的設(shè)計144    2.3.2  磁鏈觀測器的數(shù)字化實現(xiàn)145    2.3.3  速度估算器的設(shè)計151    2.3.4  速度估算器的數(shù)字化實現(xiàn)152  2.4  數(shù)據(jù)采集155    2.4.1  基于TMS320LF2407A內(nèi)置ADC的數(shù)據(jù)采集155    2.4.2  基于TMS320LF2812內(nèi)置ADC的數(shù)據(jù)采集157    2.4.3  基于外部ADC的數(shù)據(jù)采集159  2.5  捕捉和測速162    2.5.1  捕獲單元的操作162    2.5.2  轉(zhuǎn)速測量163  2.6  通信接口167    2.6.1  SCI串行通信接口167    2.6.2  CAN通信接口171  2.7  通用變頻器176    2.7.1  硬件電路設(shè)計176    2.7.2  控制軟件設(shè)計178  2.8  NPC三電平逆變系統(tǒng)179    2.8.1  硬件電路設(shè)計179    2.8.2  控制軟件設(shè)計180  參考文獻184第3章  DSC在太陽能利用中的應(yīng)用186  3.1  概  述186  3.2  系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集187    3.2.1  TMS320LF240x模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）187    3.2.2  ADC轉(zhuǎn)換例程189  3.3  電網(wǎng)的同步鎖相192    3.3.1  TMS320LF240x捕獲單元193    3.3.2  同步鎖相技術(shù)193  3.4  數(shù)字濾波198    3.4.1  電網(wǎng)周期的一階慣性濾波198    3.4.2  慣性濾波的DSP實現(xiàn)199  3.5  光伏陣列最大功率跟蹤200    3.5.1  光伏陣列V?I特性曲線200    3.5.2  最大功率跟蹤原理202    3.5.3  最大功率跟蹤方法202  3.6  孤島效應(yīng)識別207    3.6.1  孤島效應(yīng)及其危害207    3.6.2  孤島效應(yīng)的分析與判斷208    3.6.3  主動識別方式及其DSP實現(xiàn)210  3.7  逆變控制技術(shù)212    3.7.1  SPWM原理與實現(xiàn)213    3.7.2  TMS320LF24x的PWM功能213    3.7.3  軟件例程216  3.8  SPI與SCI通信218    3.8.1  SPI數(shù)據(jù)儲存218    3.8.2  SCI數(shù)據(jù)通信223  3.9  光伏電站獨立供電逆變電源226    3.9.1  光伏電站獨立供電系統(tǒng)組成226    3.9.2  光伏電站獨立供電系統(tǒng)的DSP實現(xiàn)228  3.10  光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)231    3.10.1  光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)原理231    3.10.2  光伏并網(wǎng)逆變器的DSP實現(xiàn)232  3.11  光伏水泵系統(tǒng)234    3.11.1  光伏水泵系統(tǒng)原理234    3.11.2  光伏水泵控制器的DSP實現(xiàn)236  參考文獻240第4章  DSP在風力發(fā)電中的應(yīng)用242  4.1  概  述242    4.1.1  國內(nèi)外風力發(fā)電發(fā)展狀況242    4.1.2  DSP在風力發(fā)電中的應(yīng)用前景244  4.2  風力發(fā)電中的關(guān)鍵性技術(shù)及其DSP實現(xiàn)245    4.2.1  交流電壓檢測技術(shù)245    4.2.2  轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)251    4.2.3  坐標變化技術(shù)[16，17]257    4.2.4  PI調(diào)節(jié)器[17，18]262    4.2.5  鎖相環(huán)技術(shù)[19]267    4.2.6  空間矢量（SVPWM）發(fā)生程序[16，17]278    4.2.7  串行通信技術(shù)[21]289  4.3  雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)292    4.3.1  雙饋電機的數(shù)學(xué)模型[14]293    4.3.2  雙饋電機的矢量控制296    4.3.3  雙饋電機矢量控制系統(tǒng)的DSP實現(xiàn)299  4.4  小  結(jié)301  參考文獻301第5章  DSP在配電網(wǎng)自動化終端中的應(yīng)用305  5.1  概  述305    5.1.1  配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的組成和意義305    5.1.2  線路自動化介紹306    5.1.3  饋線自動化終端FTU的組成307    5.1.4  選擇F2812設(shè)計配網(wǎng)自動化終端的原因308  5.2  饋線自動化終端（FTU）和電力負荷管理終端（LMU）的設(shè)計309    5.2.1  饋線自動化終端（FTU）的基本功能和硬件設(shè)計309    5.2.2  饋線自動化終端（FTU）的軟件設(shè)計311    5.2.3  電力負荷管理終端的基本功能和硬件設(shè)計314    5.2.4  電力負荷管理終端的軟件設(shè)計318  5.3  基于復(fù)數(shù)FFT的諧波分析和功率測量[1]319    5.3.1  片內(nèi)AD介紹319    5.3.2  A/D轉(zhuǎn)換模塊和電壓、電流調(diào)理320    5.3.3  快速FFT及基于FFT的電力參數(shù)計算320    5.3.4  FFT在F2812中的實現(xiàn)代碼例程323    5.3.5  FFT在實際產(chǎn)品中的應(yīng)用和測量精度的提高327  5.4  頻率測量及采樣跟蹤[2，3]328    5.4.1  頻率測量整形電路329    5.4.2  頻率測量軟件實現(xiàn)代碼例程330  5.5  通用人機接口的設(shè)計和實現(xiàn)方法331    5.5.1  鍵盤和LED的硬件接口331    5.5.2  DSP和LCD的接口實現(xiàn)335    5.5.3  人機接口的軟件設(shè)計[4～6]336    5.5.4  人機界面的構(gòu)建341  5.6  電力通信規(guī)約IEC 60870_5_101的實現(xiàn)技術(shù)[6]347    5.6.1  IEC 60870-5-101規(guī)約簡介347    5.6.2  101協(xié)議設(shè)計思路348    5.6.3  程序設(shè)計流程349    5.6.4  101協(xié)議程序設(shè)計實現(xiàn)和應(yīng)用350  5.7  GPRS通訊及實現(xiàn)353    5.7.1  GPRS通訊特點和應(yīng)用353    5.7.2  GPRS通信實現(xiàn)方式和組網(wǎng)方式354    5.7.3  應(yīng)用實現(xiàn)原理355    5.7.4  應(yīng)用實例設(shè)計[7]355    5.7.5  GPRS模塊與主控芯片硬件接口的設(shè)計356    5.7.6  GPRS實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ郊捌銩T命令357    5.7.7  GPRS通信應(yīng)用程序的實現(xiàn)359  5.8  CAN總線和CANOPEN協(xié)議的應(yīng)用和實現(xiàn)[8，9]365    5.8.1  F2812的CAN總線特點及接口366    5.8.2  CAN總線在配網(wǎng)自動化的應(yīng)用方式367    5.8.3  CANopen協(xié)議簡介367    5.8.4  CANopen協(xié)議在環(huán)網(wǎng)柜終端RMU的應(yīng)用371    5.8.5  CANopen協(xié)議在環(huán)網(wǎng)柜終端的軟件實現(xiàn)372  5.9  片內(nèi)FLASH應(yīng)用及程序在線升級379    5.9.1  電力終端設(shè)備程序在線升級的要求379    5.9.2  實現(xiàn)原理和步驟[10]379    5.9.3  更新程序數(shù)據(jù)流文件的創(chuàng)建379    5.9.4  引導(dǎo)表數(shù)據(jù)流文件的下載380    5.9.5  下位機文件數(shù)據(jù)的接收381    5.9.6  程序的更新實現(xiàn)382    5.9.7  片內(nèi)FLASH的操作383  參考文獻384第6章  DSP在電動機控制中的應(yīng)用386  6.1  概  述386  6.2  功率管的集成驅(qū)動電路386    6.2.1  TLP250387    6.2.2  EXB8XX系列IGBT387    6.2.3  橋式電路388    6.2.4  智能功率模塊IPM389  6.3  直流電動機的控制390    6.3.1  直流電動機調(diào)速基本原理390    6.3.2  基于TMS320F2812的直流電動機控制392  6.4  異步電動機的控制395    6.4.1  異步電動機調(diào)速方法395    6.4.2  異步電機的變頻調(diào)速395    6.4.3  基于DSP的異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)399  6.5  直流無刷電動機的控制402    6.5.1  直流無刷電動機簡介402    6.5.2  用三相全控橋?qū)崿F(xiàn)的直流無刷電動機控制403    6.5.3  基于DSP的無刷直流電動機的控制系統(tǒng)406  6.6  步進電機的控制411    6.6.1  步進電機的分類412    6.6.2  步進電機的基本原理412    6.6.3  步進電機驅(qū)動器413    6.6.4  步進電機的控制方法413    6.6.5  采用TMS320F2812實現(xiàn)步進電機控制414  6.7  開關(guān)磁阻電動機的控制417    6.7.1  開關(guān)磁阻電動機簡介417    6.7.2  開關(guān)磁阻電動機的工作原理418    6.7.3  開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計420  參考文獻424

章節(jié)摘錄

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