串行通信在永磁同步電機控制系統(tǒng)中應(yīng)用

0 引 言

TMS320LF2407是TI公司開發(fā)的、適用于電機控制的數(shù)字信號處理器（DSP），在原有DSP內(nèi)核的基礎(chǔ)上添加了脈寬調(diào)制（PWM）、A／D、D／A模塊，從而實現(xiàn)對電機系統(tǒng)的全數(shù)字控制。它在電機控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了明顯效果。在開發(fā)一套以DSP為核心的永磁同步電機控制系統(tǒng)時，需要及時觀察驅(qū)動系統(tǒng)中的各個變量，同時還要對一些程序進行控制，修改特定參數(shù)。DSP在實際運行中不能用外接的端口進行控制，需要用DSP自帶的串行通信模塊來解決這一問題。通過一臺上位計算機和以DSP為核心的電機控制系統(tǒng)構(gòu)成整個監(jiān)控系統(tǒng)，Pc機通過串口來改變DSP程序中轉(zhuǎn)矩、磁鏈給定，以及調(diào)節(jié)PI參數(shù)等，電機控制系統(tǒng)完成對電機的控制，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)反饋到Pc機中進行分析、處理、顯示和存儲。本文以DSP控制永磁同步電機為例，介紹在整個控制系統(tǒng)中串行通信的實現(xiàn)。

1 永磁同步電機控制系統(tǒng)

永磁同步電機控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法，這是19世紀80年代提出的交流電機高性能控制策略。本控制系統(tǒng)是一個速度和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用電壓、電流傳感器檢測直流母線電壓Vdc。及定子二相電流i 和i ，通過坐標變換將定子三相坐標系中的電壓、電流變量轉(zhuǎn)換為α-β靜止定子坐標系中的二相分量。將由磁鏈及轉(zhuǎn)矩觀測器得到的定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩實際值作為反饋量，與磁鏈、轉(zhuǎn)矩給定值進行比較，所得到的誤差信號通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的滯環(huán)控制單元后，獲得0、1控制信號，再綜合考慮當前定子磁鏈所在的區(qū)域，選擇適當?shù)碾妷嚎諉柺噶靠刂贫ㄗ哟沛湹男D(zhuǎn)速度及方向，即可直接快速地實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。

如果試驗人員能夠及時地觀測并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩、磁鏈、電壓、電流等控制參數(shù)，將會極大地提高電機控制系統(tǒng)的開發(fā)效率。

2 串行通信的實現(xiàn)

PC機與DSP串行通信的實現(xiàn)包括三個部分，即硬件設(shè)計、上位機程序設(shè)計、下位機程序設(shè)計。

2．1 串行通信硬件設(shè)計

從本試驗平臺實際需要考慮，采用RS-232實現(xiàn)PC機與DSP的數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)在RS。232的通信端口是每臺計算機上的必要配置，通常含有COM1和 COM2兩個端口，所以能很方便地把上位機與下位機連接起來，實現(xiàn)計算機對生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)測和控制。圖2是TMS320LF2407串行通信接1：1電路 [1]。該電路采用了符合RS-232標準的驅(qū)動芯片MAX232進行串行通信。MAX232芯片功耗低，集成度高，+5 V供電，具有2個接收和發(fā)送通道。由于TMS320LF2407采用+3．3 V供電，需要將5 V的1tI1L電平變換為3．3 V高電平，整個接口電路簡單，可靠性高。

2．2 上位機程序設(shè)計

Delphi是一種面向?qū)ο蟮目梢暬幊坦ぞ?，擁有功能強大的集成開發(fā)環(huán)境和速度極快的編譯器，兼具Visual C++的強大功能和VB易學(xué)易用的特點。通過安裝MSComm控件，可在Delphi環(huán)境下方便地實現(xiàn)串行通信[2]。MSComm提供了兩種處理通信問題的方法：一種是事件驅(qū)動法，一種是查詢法。本系統(tǒng)選用事件驅(qū)動法，該方法程序響應(yīng)及時，可靠性高。只要了解使用MSComm的屬性及事件的用法就可以實現(xiàn)對串口的操作。

其主要屬性有 ：

（1）eommport屬性，用于設(shè)置并返回連接的串行端口號；
（2）settings屬性，以字符形式設(shè)置并返回串口的波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位參數(shù)；
（3）po～open屬性，用于設(shè)置或返回通信連接端口的狀態(tài)；
（4）input屬性，用于從輸入緩沖區(qū)返回并刪除字符；
（5）output屬性，用于將要發(fā)送的數(shù)據(jù)輸入傳輸緩沖區(qū)；
（6）inputlen屬性，用于指定由串行端I：I讀入的字符串長度或字節(jié)數(shù)；
（7）handshaking屬性，用于指定通信雙方的握手協(xié)議；
（8）rthreshold屬性，用于設(shè)置或返回引發(fā)接收事件的字節(jié)數(shù)；
（9）sthreshold屬性，用于設(shè)置并返回傳輸緩沖區(qū)中允許的最小字符數(shù)；
（10）commevent屬性，在通信錯誤或事件發(fā)生時都會產(chǎn)生oncomm事件；
（11）inbufercount屬性，用于接收緩沖區(qū)中的字符數(shù)；
（12）inputmode屬性，用于設(shè)置或返回input屬性取回數(shù)據(jù)的類型。

程序設(shè)計中首先要對MSComm進行初始化，可以雙擊MSComm控件設(shè)置，也可以在程序中修改。

本系統(tǒng)根據(jù)需要自行設(shè)計了通信協(xié)議。[next]

（1）幀分為兩類，即控制幀和數(shù)據(jù)幀?？刂茙瑸樯衔粰C發(fā)出的控制命令，數(shù)據(jù)幀為上、下位機的實時數(shù)據(jù)。

（2）上位機對下位機通信中的控制幀，格式都是一個字節(jié)，定義如下：AA為下位機發(fā)送數(shù)據(jù)；AB為下位機接收數(shù)據(jù)；AC為下位機停止發(fā)送

（3）數(shù)據(jù)幀為兩個字節(jié)，數(shù)據(jù)范圍是0～65535，滿足了數(shù)據(jù)要求。

例如，把電機磁鏈設(shè)置為200，該通信命令由4個字節(jié)組成，數(shù)據(jù)格式為AB0400C8。其中：AB為控制幀，04代表磁鏈，00C8為數(shù)據(jù)幀。每個字節(jié)包含1個起始位、1個停止位、8個數(shù)據(jù)位，這些都是隱藏在底層程序中的，在實際應(yīng)用中用戶只需在通信界面上設(shè)置磁鏈值200，然后單擊“n發(fā)送”按鈕即可實現(xiàn)該命令。圖3為PC機發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖。

2．3 下位機程序設(shè)計

TMS320LF2407中包含一個串行通信模塊（SCI），SCI的寄存器是8位的?？删幊痰腟C1支持CPU和其他使用標準非歸零（NRZ）格式的異步外設(shè)之間的串行數(shù)字通信，SCI的接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每個都有它自己的獨立使能和中斷位。波特率可以通過一個16位的波特率選擇寄存器進行編程。為了保證串行通信的成功，在通信前必須對DSP的SCI模塊進行初始化，設(shè)置通信的波特率、奇偶校驗、停止位及每個字節(jié)包含的位數(shù)等，這些參數(shù)的設(shè)置必須與PC機上的設(shè)置一致，否則會引起傳輸錯誤。在DSP與PC機的通信中，對于DSP來說，通信的主要功能是接收Pc機傳來的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給Pc機?？刹捎貌樵兒椭袛鄡煞N方式接收數(shù)據(jù)，查詢方式需要程序循環(huán)檢測通信端口，浪費DSP資源，因此本系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時采用中斷方式；但在發(fā)送數(shù)據(jù)時由于要發(fā)送的數(shù)據(jù)比較多，如果也用中斷方式就會干擾到電機的控制，電機不能平穩(wěn)運行，因此采用查詢方式。在中斷子程序中設(shè)置發(fā)送標志位，通過在主程序中查詢該標志位來決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，下位機需要發(fā)送多組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)對應(yīng)不同的電機參數(shù)，如何正確區(qū)分這些數(shù)據(jù)是通信能否成功的關(guān)鍵。本系統(tǒng)利用已設(shè)定的下位機發(fā)送參數(shù)的順序、MSComm控件的inputlen屬性及rthreshold屬性的配合使用來解決這個問題。另外下位機接收和發(fā)送寄存器是8 位的，需要設(shè)定標志變量來區(qū)分、合并高低字節(jié)。圖4為下位機通信程序框圖。

3 試驗結(jié)果

利用DSP的SCI模塊和MSComm控件可以方便地實現(xiàn)DSP與Pc機的串行通信。本文所介紹的設(shè)計方法已在Pc機和以TMS320LF2407為核心的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)試驗平臺上進行了驗證，結(jié)果表明：可以通過Pc機對永磁同步電機進行控制。圖5為上位機監(jiān)控界面，它包括參數(shù)發(fā)送和數(shù)據(jù)采集兩部分，可以顯示速度、磁鏈、轉(zhuǎn)矩的給定值和實際值，便于用戶比較。圖6為永磁同步電機空載運行時的速度觀測圖。其中：直線代表速度給定值，曲線是速度實際值。速度給定值為500 r／min，通過轉(zhuǎn)速表測量，轉(zhuǎn)速為499r／min，從圖中可以看出速度以極小的誤差圍繞給定值波動，證明了轉(zhuǎn)速能被很好地控制住。圖7為磁鏈標幺值的給定值與實際值比較圖，磁鏈給定值為200，DSP中采用Q12格式，最后經(jīng)過計算反饋到上位機時應(yīng)為0．2，直線是給定值，曲線是實際值，在圖中可以看出超調(diào)量很小，磁鏈參數(shù)也能準確地反饋到Pc機上，與試驗預(yù)期結(jié)果相符。

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4 結(jié) 語

采用PC機與DSP的主從式結(jié)構(gòu)，既能發(fā)揮DSP的數(shù)據(jù)處理能力，又具有良好的人機接口，這極大地方便了系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試。DSP和PC機串行通信可以實現(xiàn)下位機參數(shù)實時上傳，使用戶隨時掌握電機狀態(tài)性能；通過上位機在線修改DSP的程序，使電機按照要求運行，實現(xiàn)對電機的全數(shù)字化實時控制。本文所解決的關(guān)鍵難題為下一步實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)性能的在線監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。