基于TMS320LF2407A的直流調(diào)速系統(tǒng)研究

胡學(xué)芝，南光群

（湖北理工學(xué)院，湖北 黃石 435003）

1 引言

直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、高層電梯等需要高性能控制過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。大功率直流調(diào)速系統(tǒng)通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及標(biāo)準(zhǔn)性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，特別是新型的電力電子功率器件出現(xiàn)和應(yīng)用，使得由全控型器件組成的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)成為主流，在數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)中以DSP作為主控器件是一種最佳選擇。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)速方案的選擇

由于晶閘管的開(kāi)關(guān)頻率低，因而輸出電流存在諧波分量，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，限制了調(diào)速范圍，深度調(diào)速時(shí)功率因數(shù)低，而由于全關(guān)斷器件開(kāi)關(guān)頻率高，由它組成的PWM變換器直流調(diào)速系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)性能和較寬的調(diào)速范圍，且主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要的功率器件少，電樞電流容易連續(xù)，諧波少，特別是低速時(shí)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)系統(tǒng)的需要，由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好，故本文設(shè)計(jì)的直流調(diào)速系統(tǒng)，主電路采用不控整流和H型雙極性PWM變換器給電機(jī)供電，控制電路采用電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)組成雙閉環(huán)控制，它有無(wú)噪音、無(wú)磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省、工作可靠、能耗小、效率高等特點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，兩個(gè)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器的形式，在啟動(dòng)過(guò)程中由于轉(zhuǎn)速外環(huán)很快達(dá)到飽和，只有電流負(fù)反饋起作用，此時(shí)相當(dāng)于在最大允許起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下進(jìn)行恒流起動(dòng)，系統(tǒng)獲得最大的加速度，且電流和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋分別加到兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)起調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，此時(shí)電流環(huán)只起跟隨作用，這樣就可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制，使系統(tǒng)能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能［1］。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 DSP控制的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以TMS320LF2407A為控制核心的直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的全數(shù)字化控制框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)系統(tǒng)由DSP作為主控芯片、用增量式光電編碼器、霍爾傳感器等組成的信號(hào)檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)隔離和保護(hù)電路等幾大部分組成；主電路分為不控整流橋和H型PWM變換器兩部分。圖中的H型驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)DSP的PWM輸出引腳PWM1～PWM4輸出的控制信號(hào)進(jìn)行控制。用霍爾電流傳感器檢測(cè)電流，并通過(guò)ADCIN00引腳輸入給DSP，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流反饋信號(hào)和作為故障保護(hù)輸入信號(hào)之一；用電壓霍爾檢測(cè)電壓信號(hào)，并通過(guò)ADCIN01引腳輸入給DSP作為故障保護(hù)輸入信號(hào)、泵升電壓判別信號(hào)和顯示電壓用。采用增量式光電編碼器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的速度變化，經(jīng)QEP1、QEP2引腳輸入給DSP，獲得速度反饋信號(hào)。設(shè)計(jì)采用兩片74LS374和4個(gè)PNP中功率三極管以動(dòng)態(tài)掃描方式驅(qū)動(dòng)4位LED數(shù)字，以顯示轉(zhuǎn)速、設(shè)定速度、電流等數(shù)據(jù)，兩片74LS374與DSP接口。在DSP上外接3個(gè)按鍵，一個(gè)為啟動(dòng)/停止鍵，用于啟動(dòng)和停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；另兩個(gè)顯示選擇鍵，一個(gè)用于控制顯示速度設(shè)定值，另一個(gè)用于控制顯示電流值，不按這兩個(gè)鍵時(shí)，顯示實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速。另外利用一片74LS374的多余輸出線，外接兩個(gè)發(fā)光管二極管，一個(gè)用于顯示工作正常與否，它每隔1秒閃亮一次；另一個(gè)用于顯示是否處于運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 電流、電壓檢測(cè)電路

電流檢測(cè)采用LA108－P電流傳感器對(duì)主電路電流進(jìn)行采樣，系統(tǒng)的電流檢測(cè)電路如圖3所示，由圖可見(jiàn)，先將電流霍爾檢測(cè)到的電流ia經(jīng)過(guò)信號(hào)比例放大，全波整流，輸出供TMS320LF2407A的A/D端口，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后進(jìn)行相應(yīng)處理。

用LV228P電壓傳感器檢測(cè)主電路的電壓，檢測(cè)的電壓信號(hào)送往DSP的A/D端口，從而獲得實(shí)時(shí)的電壓電流信息。

3.3 速度檢測(cè)

對(duì)于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，即數(shù)字測(cè)速。本系統(tǒng)的速度測(cè)量采用數(shù)值M/T法測(cè)速。速度采用HEDS－5605光電編碼器進(jìn)行檢測(cè)，利用TMS320LF2407A芯片的正交編碼脈沖電路對(duì)其輸出信號(hào)四倍頻，利用定時(shí)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到速度反饋量。

3.4 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

圖3 電流檢測(cè)電路

調(diào)節(jié)器的數(shù)字化設(shè)計(jì)中，若采樣頻率足夠高時(shí)，可以近似看成是模擬系統(tǒng)，先按模擬理論來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后再離散化，得到數(shù)字控制算法，使模擬調(diào)節(jié)器數(shù)字化，即間接設(shè)計(jì)。如果控制性能要求較高，則根據(jù)離散控制系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，即直接法設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中電流調(diào)節(jié)器采用間接方法設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按照直接法設(shè)計(jì)。為了使電流環(huán)超調(diào)小，按典I系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象由兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：

可導(dǎo)出離散化方程：

由上式可得出增量式PI算法：

而調(diào)節(jié)器的輸出為：

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)則可根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)按典型Ⅱ系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，選為PI調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)方法參考電流調(diào)節(jié)器。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要有主程序和中斷服務(wù)程序二大部分，主程序主要是完成系統(tǒng)初始化，開(kāi)關(guān)機(jī)檢測(cè)，開(kāi)關(guān)機(jī)初始化，然后進(jìn)入主程序循環(huán)等待中斷，主程序流程圖如圖4所示。中斷服務(wù)程序包括周期中斷程序、下溢中斷程序、電流環(huán)中斷服務(wù)程序、轉(zhuǎn)速環(huán)中斷服務(wù)程序等。電流環(huán)中斷服務(wù)程序主要完成電機(jī)鎖零運(yùn)算、電流調(diào)節(jié)器PI運(yùn)算、輕載時(shí)電流自適應(yīng)的運(yùn)算。在每一個(gè)PWM周期都進(jìn)行一次電流采樣和電流PI調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速環(huán)中斷服務(wù)程序主要完成速度給定值輸入，轉(zhuǎn)速計(jì)算、偏差計(jì)算、輸出幅限等功能。本系統(tǒng)采用定時(shí)器1周期中斷標(biāo)志來(lái)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后申請(qǐng)ADC中斷，ADC中斷處理子程序框圖如圖5所示。PWM生成子程式序流程圖如圖6所示，寫(xiě)入比較寄存器CMPRX中的值與控制信號(hào)的值對(duì)應(yīng)，決定了PWM輸出的占空比ρ，調(diào)ρ時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，本設(shè)計(jì)中應(yīng)用DSP生成PWM波的特點(diǎn)，只需在程序初始化時(shí)向周期寄存器TXPR寫(xiě)入PWM周期T，在程序運(yùn)行中根據(jù)比較寄存器CMPRXR的值的變化改變占空比ρ，從而進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

圖4 主程序流程圖

根據(jù)上述硬件和軟件設(shè)計(jì)，利用TMS320LF2407A作為主控芯片搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)用電機(jī)的主要參數(shù)為：電機(jī)額定功率10kW，電機(jī)額定電壓DC220V，電機(jī)額定電流55A，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1000r/min。系統(tǒng)在空載時(shí)起動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速，起動(dòng)轉(zhuǎn)速如圖7所示，由圖7可見(jiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，系統(tǒng)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速基本無(wú)超調(diào)。PWM驅(qū)動(dòng)波形如圖8所示，通道2為占空比為17.5%時(shí)的波形，通道5為占空比為50%時(shí)的波形。

圖5 ADC中斷程序框圖

圖6 PWM波形生成子程序流程圖

圖7 轉(zhuǎn)速曲線

圖8 不同占空比時(shí)的PWM波形

研究了基于DSP的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，由TMS320LF2407A組成的直流調(diào)速系統(tǒng)，只需很少的外圍器件，成本較低，是一種優(yōu)良的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，提出的基于控制方案具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)特性。

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