摘 要: 針對(duì)某裝備中三相交流異步電機(jī)調(diào)速的要求， 以TMS320LF2407A 和AT89S52 為核心采用磁場(chǎng)定向控制策略設(shè)計(jì)了一電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)， 給出了硬件原理框圖、關(guān)鍵器件、設(shè)計(jì)思想和程序流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 該控制系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快， 控制精度高， 實(shí)時(shí)顯示， 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)， 抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

0  引 言

    三相交流異步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 體積小， 重量輕，價(jià)格低， 維修方便等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于武器裝備、給料系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、柔性制造技術(shù)、各種自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域，其轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決定了設(shè)備性能的發(fā)揮。隨著高性能微處理器及新型電力電子器件的出現(xiàn)，使得應(yīng)用全控型電力電子器件和空間矢量( SVPWM)控制技術(shù)進(jìn)行變頻調(diào)速的方式已成為交流電機(jī)調(diào)速控制的主流。

    相對(duì)于其他微處理器， DSP 具有運(yùn)算速度快， 可以自己產(chǎn)生有死區(qū)時(shí)間的PWM 輸出， 可以實(shí)現(xiàn)諸如模糊控制等復(fù)雜的算法， 外圍硬件少等優(yōu)點(diǎn)， 因而廣泛用于電機(jī)的數(shù)字控制。本文以TMS320LF2407A DSP 芯片和AT89S52 單片機(jī)為核心， 設(shè)計(jì)了針對(duì)三相交流異步電機(jī)的全數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示， 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快， 控制精度高， 抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1  TMS320LF2407A簡(jiǎn)介

    TMS320LF2407A 主要包括算術(shù)邏輯運(yùn)算單元( CALU) 、寄存器集、輔助算術(shù)邏輯單元( ARAU) 、乘法器、乘法移位器、累加器、加法移位器、時(shí)鐘鎖相環(huán)電路、兩個(gè)完全等同的事件管理器A， B( 包括通用定時(shí)器、比較單元、捕獲/ 正交編碼器脈沖電路) 、內(nèi)部A/ D 轉(zhuǎn)換器、雙串口、看門(mén)狗、CAN 總線電路單元等。

TMS320LF2407A 采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)， 流水線作業(yè)， 在30 MHz 內(nèi)部時(shí)鐘頻率下， 指令周期僅為33 ns。

    其內(nèi)部存儲(chǔ)器包含2 類(lèi)RAM 塊。一類(lèi)為DRAM， 另一類(lèi)為SRAM。對(duì)DRAM 而言又劃分為3 個(gè)RAM塊， 即B0， B1， B2， 容量依次為256 字， 256 字， 32 字。這些RAM 全部允許在一個(gè)指令周期內(nèi)訪問(wèn)兩次， 因此在數(shù)據(jù)處理能力上有顯著的增加。同時(shí)， B0 塊還可以通過(guò)程序動(dòng)態(tài)地配置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)或程序存儲(chǔ)器區(qū)。

    若配置為程序區(qū)可在上電時(shí)把浮點(diǎn)算法子程序或者數(shù)據(jù)表從外部慢速EPROM 裝入此區(qū)域， 從而緩解高速處理器與慢速外設(shè)之間的矛盾， 這對(duì)提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有很大幫助。TMS320LF2407A 內(nèi)部含有內(nèi)嵌采樣保持的10 位精度、高速A/ D 轉(zhuǎn)換器， 轉(zhuǎn)換時(shí)間最短為500 ns ( 采樣保持+ 轉(zhuǎn)換時(shí)間) 。除此之外TMS320LF2407A 還有豐富的、功能強(qiáng)大的中斷系統(tǒng)以及常用的I/ O 接口， 這些都使設(shè)計(jì)調(diào)速控制系統(tǒng)時(shí)的硬件電路得到簡(jiǎn)化。

2  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于T MS320LF2407A 三相交流異步電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

系統(tǒng)硬件框圖

圖1  系統(tǒng)硬件框圖。

系統(tǒng)主電路采用交直交電壓型變頻器， 功率器件采用智能功率模塊IPM。該模塊包含了6 個(gè)IGBT 和6 個(gè)與IGBT 反并聯(lián)的續(xù)流二極管。控制電路部分由AT 89S52 單片機(jī)控制單元、TMS320LF2407A 控制器單元、電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、過(guò)流保護(hù)電路、液晶顯示電路和鍵盤(pán)輸入接口電路等模塊組成。

2. 1  AT89S52 單片機(jī)控制單元：

AT89S52 控制單元主要完成以下功能:

一是通過(guò)鍵盤(pán)輸入接口完成對(duì)給定轉(zhuǎn)速的設(shè)定； 二是通過(guò)液晶顯示單元完成對(duì)給定轉(zhuǎn)速、電機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速的顯示；三是完成對(duì)雙口RAM 中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取，并將讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)USB 接口電路導(dǎo)入上位機(jī)或通過(guò)D/ A 輸出電路輸入到模擬設(shè)備。

其中， 液晶顯示單元采用中文圖形兩用型液晶顯示模塊OCMJ4X8B2； 鍵盤(pán)輸入采用矩陣式按鍵鍵盤(pán)可以通過(guò)單片機(jī)調(diào)用預(yù)設(shè)的漢字， 可以輸入數(shù)字( 用來(lái)設(shè)置轉(zhuǎn)速) ； 雙口模塊用來(lái)存儲(chǔ)TMS320LF2407A 采集的變量波形數(shù)據(jù)。
 
2. 2  TMS320LF2407A 控制單元

TMS320LF2407A 控制單元的電路原理圖如圖2所示。該控制單元電路主要包括光耦隔離電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路和電壓檢測(cè)電路， 分別完成對(duì)IPM 的驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)與控制、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓和欠壓保護(hù)等功能。

TMS320LF2407A 控制單元電路原理圖

圖2  TMS320LF2407A 控制單元電路原理圖。

    光耦隔離電路由6 片東芝公司的TLP127 及相應(yīng)的限流電阻組成， 主要完成TMS320LF2407A 與IPM 智能功率模塊的電氣隔離， 并將輸出的PWM 信號(hào)放大。

    轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路采用歐姆龍1024 原旋轉(zhuǎn)型線編碼器E6B2CWZ6C， 編碼器輸出的脈沖經(jīng)過(guò)TMS320LF2407A內(nèi)部4 倍頻后可以實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)4 096 個(gè)脈沖， 從而保證了轉(zhuǎn)速的精度。根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)與給定數(shù)據(jù)比較， 調(diào)整DSP 輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度， 從而調(diào)節(jié)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

     電流采樣電路采用3 片霍爾電流傳感器CN61M/TBC25C04， 一路將檢測(cè)到的直流母線上瞬時(shí)電流值送入過(guò)流保護(hù)電路， 當(dāng)其值大于過(guò)電流值時(shí)， 相應(yīng)過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)， 關(guān)斷PWM 信號(hào)的輸出； 另外兩路檢測(cè)流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流， 通過(guò)變換改變DSP 輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖， 進(jìn)而保持電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。在本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中， TMS320LF2407A 采用了ADCIN00，ADCIN01和ADCIN02 三路通道， 以采集電機(jī)A 相、B 相和直流母線的電流，直流母線的采樣電壓通過(guò)ADCIN03 通道輸入DSP， 根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)， 在電壓超過(guò)設(shè)定的上、下限值時(shí)， DSP 關(guān)斷PWM 脈沖的輸出， 從而實(shí)現(xiàn)過(guò)壓和欠壓保護(hù)功能。

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3. 1  閉環(huán)調(diào)速控制的原理

    本文設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

   其中， 給定速度由鍵盤(pán)輸入接口電路輸入AT 89S52單片機(jī)控制系統(tǒng)， 速度PI 調(diào)節(jié)、電流PI 調(diào)節(jié)、磁場(chǎng)位置角和轉(zhuǎn)速反饋量的計(jì)算由TMS320LF2407A 計(jì)算實(shí)現(xiàn)。

    測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)AT 89S52 控制系統(tǒng)輸出到液晶顯示單元上實(shí)時(shí)顯示。

雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)框圖

圖3  雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)框圖。

假設(shè)電機(jī)定轉(zhuǎn)子三相繞組完全對(duì)稱(chēng)； 定轉(zhuǎn)子表面光滑， 無(wú)齒槽效應(yīng)， 定轉(zhuǎn)子每相氣隙磁動(dòng)勢(shì)在空間呈正弦分布； 磁飽和、渦流及鐵心損耗均忽略不計(jì)， 則三相交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程如下:


式中: L r ， L m 分別為轉(zhuǎn)子自感和互感； p 是微分算子； i sq是定子電流在q 軸上的分量； rd 是轉(zhuǎn)子磁鏈在d 軸上的分量。

從式( 1) 可以看出， 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定子電流矢量和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)以及夾角有關(guān)。因此， 要想控制轉(zhuǎn)矩， 必須先檢測(cè)和控制磁通。當(dāng)dq 坐標(biāo)系在同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上且靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的直流量時(shí)， 使d 軸和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向重合， 可得到磁場(chǎng)定向控制方程如下:


式中:為漏磁系數(shù)； r 為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)。

   由式( 2) 可知， 檢測(cè)到定子電流的d 軸分量( 勵(lì)磁分量) 可觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁通幅值； 由式( 4) 可知， 當(dāng)rd 恒定時(shí)， 只要控制定子電流的q 軸分量( 轉(zhuǎn)矩分量) ， 即可控制電磁轉(zhuǎn)矩。具體工作原理如下:

   通過(guò)電流傳感器測(cè)量逆變器輸出的定子電流iA ，iB ， 經(jīng)過(guò)DSP 的A/ D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， 并利用iC = - ( i A + i B ) 計(jì)算出i C。電流i A ， iB ， i C 通過(guò)Clarke 變換和Park 變換得到了dq 坐標(biāo)系下的勵(lì)磁反饋電流i sd和轉(zhuǎn)矩反饋電流isq ， 與給定的勵(lì)磁電流i sd ref 和轉(zhuǎn)矩電流i sqref 的差通過(guò)PI 調(diào)節(jié)后， 再經(jīng)過(guò)Park 逆變換輸出!?

    坐標(biāo)下的電壓， DSP 利用該電壓生成三相逆變器所需的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。實(shí)時(shí)測(cè)量的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)一方面用于與給定速度比較產(chǎn)生i sqref ， 另一方面進(jìn)入電流位置磁鏈轉(zhuǎn)換模型求出磁鏈的位置， 并用于Clar ke 和Park 逆變換。

3. 2  程序流程圖

   AT89S52 單片機(jī)控制系統(tǒng)上電后，首先通過(guò)鍵盤(pán)輸入接口輸入給定轉(zhuǎn)速， 單片機(jī)將給定轉(zhuǎn)速存儲(chǔ)在雙口RAM 中， 同時(shí)， 給定轉(zhuǎn)速通過(guò)單片機(jī)P0 口輸出到液晶顯示單元的驅(qū)動(dòng)控制芯片SED1520，由SED1520 驅(qū)動(dòng)OCMJ4X8B2 顯示轉(zhuǎn)速， 轉(zhuǎn)速的顯示范圍為0~ 9 999 r/ min， 然后通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)確定是否要對(duì)相關(guān)變量采樣并存儲(chǔ)。該部分程序流程圖如圖4( a) 所示。

   其次給TMS320LF2407A DSP 控制系統(tǒng)上電， 運(yùn)行初始化程序完成初始狀態(tài)的設(shè)定( 包括對(duì)相關(guān)變量采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等) ， DSP 控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流采樣， 與給定值進(jìn)行比較， 若達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速， 則循環(huán)運(yùn)行， 當(dāng)給定轉(zhuǎn)速改變時(shí)， 進(jìn)入中斷處理子程序。主程序流程圖和中斷處理子程序流程圖分別如圖4( b) 和圖4 ( c)所示。

程序流程圖

圖4  程序流程圖。

4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

   對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、定子電流、磁通等變量進(jìn)行采樣、保存， 并通過(guò)USB 接口電路轉(zhuǎn)移到上位機(jī)； 在上位機(jī)上得到的實(shí)驗(yàn)波形如圖5 所示， 波形的數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)為2 048。

   從圖5( a) 上可以看出， 電機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值1 000 r/ min。在啟動(dòng)過(guò)程中， 定子電流由于PWM 控制， 產(chǎn)生一定的波動(dòng)， 當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值后， 定子電流也很快趨于穩(wěn)定， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快； 從圖5( b) 上可以看出， 當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)， 定子電流的q 軸分量( 轉(zhuǎn)矩分量) 基本沒(méi)有變化， 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也不會(huì)發(fā)生變化； 從圖5( c) 和( d) 可以看出， 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)， 電機(jī)的磁場(chǎng)變化幅度可以忽略， 從而電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不會(huì)發(fā)生變化， 即設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制精度很高， 完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

實(shí)驗(yàn)波形

圖5  實(shí)驗(yàn)波形。

5  結(jié) 語(yǔ)

    本文采用以T MS320LF2407A 為PWM 控制核心， 以A T89S21 控制單元為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制管理核心的三相交流異步電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 該控制系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快， 控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明， 該系統(tǒng)還具有較好的抗干擾性。該系統(tǒng)對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)也具有較高的指導(dǎo)意義。