三相永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)——基于TMS320LF2407A和AT89C51

王朕 劉陵順

（海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺(tái) 264001）

1 引言

由于無電刷，相對(duì)于繞線式轉(zhuǎn)子同步電機(jī)，永磁轉(zhuǎn)子同步電機(jī)不僅克服了其致命缺點(diǎn)，還具有體積小、重量輕、慣性低、效率高、轉(zhuǎn)子無發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于武器裝備、工業(yè)機(jī)器人、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。

隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型電力電子器件進(jìn)行空間矢量(SVPWM)控制方式已成為交流電機(jī)控制的主流。目前，這種控制方式已成為交流電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制的基礎(chǔ)。

相對(duì)于其他控制器，DSP具有運(yùn)算速度高、自己產(chǎn)生有死區(qū)時(shí)間的PWM輸出、實(shí)現(xiàn)諸如模糊控制等復(fù)雜的算法容易、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。本文采用TMS320LF2407A DSP芯片和AT89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了針對(duì)三相永磁同步電機(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)。

2 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、看門狗、CAN總線電路單元等主要部分。

TMS320LF2407A采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，流水線作業(yè)，在30 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘頻率下，指令周期僅為33 ns。由于其內(nèi)部具有硬件乘法器，一條16乘16位的算法在一個(gè)周期內(nèi)即可完成，僅需33 ns。TMS320LF2407A內(nèi)部具有時(shí)鐘鎖相環(huán)電路，從而可以通過軟件編程來產(chǎn)生內(nèi)部所需要的高頻脈沖信號(hào)。

TMS320LF2407A內(nèi)部存儲(chǔ)器中包含兩類RAM塊，一類為DRAM，另一類為SRAM。對(duì)DRAM而言又劃分為三個(gè)RAM塊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塊還可以通過程序動(dòng)態(tài)地配置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(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，這些都使得設(shè)計(jì)調(diào)速控制系統(tǒng)時(shí)硬件電路得到簡(jiǎn)化[1,2]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于TMS320LF2407A三相永磁同步電機(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)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，該模塊包含有6個(gè)IGBT、6個(gè)與 IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管?？刂齐娐凡糠钟?AT89C51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、過流保護(hù)電路、液晶顯示電路和鍵盤輸入接口電路等模塊組成。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

3.1 AT89C51單片機(jī)控制單元

AT89C51控制單元主要完成以下功能：一是通過鍵盤輸入接口電路完成對(duì)給定轉(zhuǎn)速的設(shè)定；二是通過液晶顯示電路完成對(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USB接口電路導(dǎo)入上位機(jī)或通過D/A輸出電路輸入到模擬設(shè)備[3,4]。

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；鍵盤采用了矩陣式按鍵鍵盤，可以通過鍵盤調(diào)用單片機(jī)中預(yù)設(shè)的漢字，可以輸入數(shù)字（用來設(shè)置轉(zhuǎn)速）；雙口模塊用來存儲(chǔ)TMS320LF2407A采集的變量波形數(shù)據(jù)[5，6]。

3.2 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[7]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、過流保護(hù)、過壓和欠壓保護(hù)等功能。

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 E6B2-CWZ6C，編碼器輸出的脈沖經(jīng)過TMS320LF2407A內(nèi)部 4倍頻后可以實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)4096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。

電流采樣電路采用三片霍爾電流傳感器CN61M/TBC25C04；一路將檢測(cè)到的直流母線上瞬時(shí)電流值送入過流保護(hù)電路，當(dāng)其值大于過電流值時(shí)，相應(yīng)過流保護(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)流過電動(dòng)機(jī)的電流，通過變換改變DSP輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖，進(jìn)而保持電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，TMS320LF2407A采用了ADCIN00、ADCIN01和 ADCIN02三路通道來采集電機(jī)A相、B相和直流母線的電流，

直流母線的采樣電壓通過 ADCIN03通道輸入DSP，根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)，在電壓超過設(shè)定的上下限值的時(shí)候，DSP關(guān)斷PWM脈沖的輸出，從而實(shí)現(xiàn)過壓和欠壓保護(hù)功能。

圖2 TMS320LF2407A控制單元電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 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，給定轉(zhuǎn)速由鍵盤輸入接口電路輸入AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)，速度PI調(diào)節(jié)、電流 PI調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速反饋量的計(jì)算由TMS320LF2407A編程實(shí)現(xiàn)。測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速通過 AT89C51控制系統(tǒng)輸出到液晶顯示單元上實(shí)時(shí)顯示[8]。

對(duì)于常用的三相凸極式轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)矩方程如下：

其中：ψf指轉(zhuǎn)子磁鋼在定子上的耦合磁鏈，它只在d軸上存在；P指轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)。

因?yàn)槭怯来呸D(zhuǎn)子，ψf是一個(gè)不變的值，所以式（1）說明了只要保持is與d軸垂直，就可以像直流電動(dòng)機(jī)控制那樣，通過調(diào)整電流iq來控制轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制參數(shù)的解耦，實(shí)現(xiàn)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的線性化控制[9]，也就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的線性化控制。

具體工作原理如下：

通過電流傳感器測(cè)量逆變器輸出的定子電流iA、iB，經(jīng)過DSP的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并利用式iC=-(iA+ iB)計(jì)算出iC。通過Clarke變換和Park變換將電流iA、iB、iC變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量isq、isd，isq、isd作為電流環(huán)的負(fù)反饋量。利用編碼器測(cè)量電動(dòng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移θm，并將其轉(zhuǎn)換成電角度 θe和轉(zhuǎn)速 n。θe用于參與Park變換和逆變換的計(jì)算，n作為速度環(huán)的負(fù)反饋量。

給定轉(zhuǎn)速 nref與轉(zhuǎn)速反饋量 n的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流q軸參考分量 isqref。isqref和 isdref(等于零)與電流反饋量 isq、isd的偏差經(jīng)過電流 PI調(diào)節(jié)器，分別輸出 Odq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相電壓分量 Vsqref和 Vsdref。Vsqref和Vsdref再通過Park逆變換轉(zhuǎn)換成Oαβ直角坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量 Vsαref和 Vsβref。當(dāng)定子相電壓矢量的分量 Vsαref、Vsβref和其所在的扇區(qū)數(shù)已知時(shí)，就可以利用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，利用DSP產(chǎn)生PWM控制信號(hào)來控制逆變器。

圖3 雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)框圖

4.2 程序流程圖

AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)上電后，首先通過鍵盤輸入接口輸入電路給定轉(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) OCMJ4X8B-2顯示轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的顯示范圍為0～9999 r/min。然后，通過鍵盤來確定是否要對(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(c)所示[10]。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)電機(jī)定子電流變量和轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)兞窟M(jìn)行采樣，通過USB接口電路轉(zhuǎn)移到上位機(jī)；在上位機(jī)上繪出的波形如圖 5(a)上下兩個(gè)波形所示，波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)為2048。從實(shí)驗(yàn)波形上看，電機(jī)在很小的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值1000 r/min。在啟動(dòng)過程中，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。

圖4 程序流程圖

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，改變運(yùn)行速度時(shí)，對(duì)電機(jī)磁通φsα和φsβ進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)移到上位機(jī)后繪出的磁通波形如圖5(b)所示。從實(shí)驗(yàn)波形上可以看出，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，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化也可忽略，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。

6 結(jié)束語

本文采用以TMS320LF2407A為SVPWM控制的核心，以AT89C51控制單元為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制管理核心的三相永磁同步電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(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)其他交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有也具有較高的指導(dǎo)意義。

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