基于DSP的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：開發(fā)了一種基于TMS320F240 DSP實(shí)現(xiàn)電機(jī)交流調(diào)速的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和軟硬件的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的性能。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器 直接轉(zhuǎn)矩控制 交流調(diào)速 異步電動(dòng)機(jī)

隨著電力電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高性能的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。而高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，都離不開數(shù)字信號(hào)處理器。以往的數(shù)字信號(hào)處理速度很快，但控制功能較差。新型的F24X/C24X系列DSP是TI公司專門為三相交流調(diào)速開發(fā)的數(shù)字馬達(dá)調(diào)速控制器，它既具有通用DSP的快速性，又兼有三相交流調(diào)速的控制功能。本文根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理，開發(fā)出了基于TMS320F240 DSP的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用TMS320F240 DSP的控制系統(tǒng)，具有硬件電路簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理利用空間矢量分析法，采用定子磁場(chǎng)定向，將定子電流、電壓進(jìn)行3/2變換，從而直接在靜止α-β坐標(biāo)系下計(jì)算交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，再分別與給定轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果查找最優(yōu)開關(guān)表格產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制?；究驁D如圖1所示。

由3相/2相坐標(biāo)變換可以得到如下的定子電壓和電流空間矢量表達(dá)式：

根據(jù)u-i模型，定子磁通的表示式為：

φs=∫(us-Rsis)dt (3)

而電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

T=np(φsαisβ-φsβisα) (4)

得到定子磁通和電磁轉(zhuǎn)矩后，再與給定值進(jìn)行較，根據(jù)比較結(jié)果和矢量角度θ確定合適的開關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生PWM逆變信號(hào)，控制主回路逆變器的工作狀態(tài)，從而實(shí)時(shí)地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本交流調(diào)速控制系統(tǒng)以TMS320F240 DSP為核心，由整流器、電壓型主回路和控制回路組成。整個(gè)系統(tǒng)按功率電路板、DPS控制板、15V開關(guān)電源等進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

2.1 功率電路

功率電路由EMS、不可控整流模塊和IGBT逆變模塊IPM構(gòu)成，同時(shí)具有過流、過壓等保護(hù)功能。通過電抗線圈，EMS消除來自電網(wǎng)的電磁干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。驅(qū)動(dòng)電路選用日本三菱公司的智能IGBT逆變模塊IPM（PM10RSH120），不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還具有過流、過壓、欠壓、溫度等保護(hù)電路，不但可以保護(hù)IPM模塊，而且也簡(jiǎn)化了片外的驅(qū)動(dòng)電路，減少了系統(tǒng)的故障率。IPM的故障輸出信號(hào)FO通過光電耦合器接到DSP的PDPINT端口，在IPM發(fā)生故障時(shí)，DSP能及時(shí)把所有事件管理器輸出腳都置成高阻狀態(tài)，禁止PWM信號(hào)輸出，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。驅(qū)動(dòng)回路選用惠普HCPL4504作PWM驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行隔離，以免強(qiáng)電串入DSP控制回路。圖2給出一路驅(qū)動(dòng)回路。

逆變器要求同一橋臂上下開關(guān)管始終有一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)截止，而且必須互鎖。因此PWM信號(hào)必須有一定時(shí)間的死區(qū)，否則將會(huì)造成同一橋臂上下開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致IGBT模塊燒壞。TMS320F240內(nèi)集成死區(qū)調(diào)節(jié)電路，死區(qū)時(shí)間可在0～102μs內(nèi)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間由軟件來設(shè)定，本系統(tǒng)取死區(qū)時(shí)間為4.5μs。

兩相定子電流的檢測(cè)采用兩個(gè)磁平衡式霍爾電流傳感器來完成，直接安裝在功率板上，通過連接頭將檢測(cè)的信號(hào)送到TMS320F240控制板，利用片內(nèi)ADC，獲得實(shí)時(shí)的定子電流信號(hào)。

2.2 DSP控制板

DPS控制由TMS320F240 DSP、仿真調(diào)試接口JTAG、128K Words外部SRAM、10M晶振、硬件復(fù)位回路等構(gòu)成，其核心為TMS320F240 DSP芯片，它是美國(guó)TI公司專門為三相交流調(diào)速而開發(fā)的數(shù)字馬達(dá)調(diào)速控制器。TMS320F240強(qiáng)大的處理能力使面向電機(jī)控制的控制算法如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制可以快速地實(shí)現(xiàn)。DSP控制板主要完成算法處理、PWM輸出、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、與上位機(jī)通信及顯示等任務(wù)。為了完成上述任務(wù)，本系統(tǒng)在DSP最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，16通道10位ADC接口用來接電流等反饋信號(hào)；RS232串口用于與上位機(jī)通信，顯示數(shù)據(jù)、波形；16V8 GAL用于組合 控制信號(hào)。另外，還添加了LCD顯示電路、鍵盤輸入電路、3個(gè)34針外圍接口（與功率板、傳感器、鍵盤等相連接）以及電路模塊。

2.3 開關(guān)電源模塊

IPM對(duì)驅(qū)動(dòng)電源要求較高，上橋臂的每個(gè)IGBT單元都需要單獨(dú)的隔離的15伏電壓供電，以增強(qiáng)抗干擾能力，降低電源噪音；下橋臂所有單元由一個(gè)公用的15V電源供電。因此電源模塊包括4個(gè)彼此隔離的15V電源，為IPM模塊的驅(qū)動(dòng)電路提供能源。開關(guān)電源的核心是單片三端開關(guān)電源芯片TOP227，它將PWM控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中，內(nèi)含PWM、功率開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管、自偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件采用C2000 DPS匯編語言編寫。TMS320F240通過事件管理器啟動(dòng)ADC，獲得電流、電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通、轉(zhuǎn)矩的控制。整個(gè)軟件包括三個(gè)部分：初始化、故障診斷、GP TIMER1中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)的軟件模塊流程圖如圖3所示。其中，初始化模塊主要完成電機(jī)參數(shù)的給定、變量賦初值、定時(shí)器時(shí)間的設(shè)定、定時(shí)器服務(wù)子程序地址的設(shè)定等。初始化流程圖如圖4所示。

中斷服務(wù)程序是軟件設(shè)計(jì)的核心，它完成幾乎所有的控制算法，如ADC檢測(cè)、3/2變換、磁通和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算、角度θ的獲得、電壓矢量選擇、作用時(shí)間和死區(qū)時(shí)間的計(jì)算與設(shè)定、PWM的發(fā)生等，這個(gè)過程在一個(gè)采樣周期（50μs）內(nèi)完成。中斷服務(wù)子程序流程圖如圖5所示。

PWM信號(hào)的產(chǎn)生是由時(shí)間管理器通過對(duì)特殊寄存器進(jìn)行配置完成的，對(duì)稱PWM寄存器配置代碼如下：

SPLK #2840H，T1CON ；up/down count in 50ns steps

SPLK #PWM_PERIOD,T1PR ;PWM carrier frequency

;fpwm=50ns * 2 *

PWM_PERIOD

SPLK #1207H,COMCON ;CMPRx,T1PR reload at Timer 1

;ACTR reload at Timer1=0

;enable PWM1-6 outputs

SPLK #0207H ,COMCON ;SYMMETRICAL PWM

SPLK #0666H ,ACTR ;PWM 1,3,5 active high

;PWM 2,4,6 active low

SPLK #32E0H ,DBTCON ;dead band =2.5μs */

SPLK #8000,COMCON ;enable compare unit */

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上述直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用4極異步電動(dòng)機(jī)：2.2kW；380V；2.5A；1500r/min。直流發(fā)電機(jī)作為異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載。圖6給出了轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)曲線和定子磁鏈波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具較好的性能。

基于TMS320F240的高性能直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，充分利用了TMS320F240的高速計(jì)算功能和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，使交流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的系統(tǒng)控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，是一種高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)。