基于TMS320LF2407A直流電機閉環(huán)調速控制系統(tǒng)的設計

王 朕， 劉陵順 ，魯 芳，唐永紅

（1.海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2.煙臺職業(yè)學院 材料工程系，山東 煙臺 264676）

直流電動機以其良好的線性調速特性、簡單的控制性能、高質高效平滑運轉特性，一直在速度和位置控制方面處于主導地位，尤其是調速性能其他電動機無法比擬的。目前采用全控型電力電子器件進行脈寬調制（PWM）控制方式已成為直流電動機數字控制的基礎。由于DSP具有運算速度高，死區(qū)時間的PWM輸出，實現諸如模糊控制等復雜算法，外圍硬件少等優(yōu)點，因此廣泛用于電機數字控制。這里采用TMS320LF2407A型DSP和AT89C51單片機為核心設計一種針對直流電機的全數字調速控制系統(tǒng)。

1 TMS320LF2407A簡介[1-2]

圖1為TMS320LF2407A內部基本結構框圖，該器件采用先進的哈佛結構，流水線作業(yè)，在30 MHz的內部時鐘頻率下，指令周期僅33 ns。由于其內部具有硬件乘法器，一個周期內即可完成16×16的算法，僅需33 ns。該器件內部具有時鐘鎖相環(huán)電路，可通過軟件編程設置內部所需高頻。

圖1 TMS320LF2407基本結構框圖

TMS320LF2407A內部存儲器中包含DRAM和SRAM兩大類。其中，DRAM分為3個RAM塊B0、B1、B2，容量依次為256字、256字、32字。這些RAM都允許在1個指令周期內訪問2次，因此數據處理能力顯著增加。同時，B0塊還可通過程序配置為數據存儲器或程序存儲器區(qū)。若配置為程序存儲器區(qū)則可在上電時將浮點算法子程序或數據表由外部慢速EPROM裝入該空間區(qū)，以緩解高速處理器與慢速外設間的矛盾，從而提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性。TMS320LF2407A內置采樣保持的10位精度、高速A/D轉換器，轉換時間最短為500 ns。此外TMS320LF2407A還具有豐富的、功能強大的中斷系統(tǒng)以及常用的I/O接口，這些特性大大簡化了調速控制系統(tǒng)時硬件電路設計。

2 系統(tǒng)硬件設計

圖2為基于TMS320LF2407A直流電機閉環(huán)調速控制系統(tǒng)硬件框圖。系統(tǒng)主電路采用交/直/交電壓型變換器，功率器件采用智能功率模塊IPM，該模塊包含由4個IGBT以及4個與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管。控制電路部分由AT89C51控制單元、TMS320LF2407A控制器、電流檢測、轉速檢測、過壓保護、欠壓保護、過流保護、液晶顯示和鍵盤輸入接口等電路組成。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 AT89C51控制單元[3]

AT89C51控制單元主要完成：1）通過鍵盤輸入接口設置給定轉速；2）液晶顯示用于顯示給定轉速、電機啟動轉速和達到穩(wěn)態(tài)轉速；3）完成對雙口RAM中存儲數據的讀取，并將讀取的數據通過USB接口電路導入上位機或通過D/A轉換電路輸入到模擬設備。其中，液晶顯示單元采用中文圖形兩用型液晶顯示模塊OCMJ4X8B-2；鍵盤輸入采用矩陣式按鍵鍵盤，并通過單片機調用預設漢字，還可輸入數字（用于設置轉速）；雙口模塊用于存儲TMS320LF2407A采集的變量波形數據[4-5]。

2.2 TMS320LF2407A控制單元

圖3為TMS320LF2407A控制單元電路，主要包括光耦隔離、轉速檢測、電流檢測[1]和電壓檢測等電路?？蓪崿F過壓保護、欠壓保護、過流保護、轉速控制等功能。其中，光耦隔離電路是由4片東芝公司的TLP127及相應的限流電阻組成，實現TMS320LF2407A與IPM智能功率模塊的電氣隔離，并放大PWM信號。轉速檢測電路采用歐姆龍1024原旋轉型線編碼器E6B2-CWZ6C，編碼器輸出的脈沖經TMS320LF2407A內部4倍頻后產生每轉4 096個脈沖，保證轉速精度。將采樣得到的數據與給定數據相比較，調整DSP輸出驅動脈沖的寬度，調節(jié)電機電壓，進而調節(jié)電機轉速。電流采樣電路采用2片霍爾電流傳感器CN61M/TBC25C04；一路將檢測到的直流母線上瞬時電流值送入過流保護電路，當其值大于過電流值時，相應過流保護電路動作產生保護信號，關斷PWM信號輸出；另一路檢測流過電動機的電流，使電動機在調速的過程中保持該電流不變，從而保持輸出轉矩不變。該系統(tǒng)設計TMS320LF2407A采用ADCIN00和ADCIN012通道采集電流信號。直流母線的采樣電壓通過ADCIN02通道輸入DSP，根據采樣得到的數據，當電壓超過設定的上下限時，DSP關斷PWM脈沖的輸出，從而實現過壓和欠壓保護功能。

3 系統(tǒng)軟件設計

圖3 TMS320LF2407A控制單元電路原理圖

該直流電機閉環(huán)調速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。其中，給定速度由鍵盤輸入接口電路輸入AT89C51單片機控制系統(tǒng)，速度PI調節(jié)、電流PI調節(jié)和轉速反饋量的計算由TMS320LF2407A編程實現。測得的電機轉速通過AT89C51控制系統(tǒng)輸出到液晶顯示單元上實時顯示[2]。

圖4 閉環(huán)調速控制系統(tǒng)框圖

AT89C51系統(tǒng)設定電機給定轉速和顯示實際轉速，其程序流程如圖5（a）所示。上電后，首先從P1口讀出由鍵盤輸入的給定轉速，并將該轉速存儲TMS320LF2407A的雙口RAM中，同時，給定轉速通過單片機P0口輸出到液晶顯示單元的驅動控制器SED1520，由SED1520驅動OCMJ4X8B-2顯示轉速，顯示范圍為0～9 999 r/min。當TMS320LF2407A工作后，AT89C51先判斷有無鍵盤輸入（即給定轉速是否變化）；若變化，則將新的給定轉速寫入雙口RAM并顯示，否則，從雙口RAM讀出電機實際轉速并顯示。TMS320LF2407A上電后運行的主程序流程如圖5（b）所示。首先完成初始狀態(tài)的設定（包括對相關變量采樣、數據存儲等），然后讀出給定轉速，并判斷實際轉速是否達到給定轉速；若達到，則一直循環(huán)運行；若未達到，則進入中斷處理子程序，調節(jié)電機轉速，直到與給定轉速相等為止。轉速調節(jié)中斷子程序流程如圖5（c）所示[6]。進入子程序后首先讀出電流檢測量，與給定電流進行比較，并對電流進行PI調節(jié)。然后讀出實際轉速并將該轉速存儲在雙口RAM，判斷該電流是否與給定轉速相等，若相等則不進行速度PI調節(jié)，否則相反，進而改變PWM脈寬，退出中斷子程序。

圖5 程序流程

4 試驗結果

采集空載啟動時的電機轉速反饋變量和定子電流變量，通過USB接口電路傳輸至上位機；在上位機上繪出波形如圖6所示。從圖中看出，電機在約20 s內達到設定的轉速值1 000 r/min。在啟動過程中，定子電流由于PWM控制，產生一定的波動，當轉速達到設定值后，定子電流也很快趨于穩(wěn)定。

圖6 空載啟動時的波形

當電機運行時，改變其運行速度 （以加速為例，轉速從100 r/min增加到1 000 r/min），采集給定轉速和反饋轉速變量，傳輸至上位機后繪出的轉速反饋波形和給定波形如圖7所示。由圖7看出，4s后實際轉速達到給定轉速值，達到1000r/min時，轉速波動只有9r/min，控制精度很高，達到設計要求。

圖7 電機突然加速時的波形

5 結束語

采用以TMS320LF2407A為PWM控制的核心，以AT89C51控制單元為電機轉速控制管理核心的直流電機閉環(huán)調速控制系統(tǒng)具有數據存儲、實時顯示等功能，試驗結果表明該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應快，控制精度高等優(yōu)點。

[1]王曉明，王 玲.電動機的DSP控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]鄭 紅，隋強強，周 星.DSP應用系統(tǒng)設計實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3]王 朕，劉學鋒，劉陵順.基于AT89C51電機轉速測量儀的設計與實現[J].四川兵工學報，2009，30（5）：19-20.

[4]唐宗軍，楊 光，王 維，等.基于DSP和單片機的高速數據采集與處理系統(tǒng)[J].儀器儀表學報 2004，25（4）：429-430.

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[6]周 毅，徐 興，徐德炳.TMS320LF2407在低速小角度低電壓直流無刷電機控制中的應用[J].電子測量與儀器學報，2004（21）：915-916.