??? 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)

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??? 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)處理器速度很快,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。?

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??? 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:?

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??? 根據(jù)u-i模型,定子磁通的表達(dá)式為:?

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??? 得到定子磁通和電磁轉(zhuǎn)矩后,再與給定值進(jìn)行比較,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、DSP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。?

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??? 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)間只需根據(jù)功率器件的死區(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?

??? DSP控制板由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)以及電源模塊。?

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 DSP匯編語(yǔ)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。?

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??? 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。?

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??? 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?Timer1?

??????????????????????????? ;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)具有較好的性能。?

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??? 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)。?

參考文獻(xiàn)?

1 TMS320F240 DSP Controller.SPRS042.Texas Instrument,1999?

2 M. Depenbrock.Direct Self Control (DSC) of Inverter-fed?Induction Machines.IEEE Transaction on Power Electronics,?1988;3(4): 420～429