基于ARM的交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔屹

摘 要：直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制之后，迅速發(fā)展起來的一種新型的高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。而伴隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，基于ARM的高性能微處理器的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在機(jī)電產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越普遍。因此研究直接轉(zhuǎn)矩控制嵌入式系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；直接轉(zhuǎn)矩控制；S3C2440A；Linux系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM346 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）05-0023-01

本文首先介紹了交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，在分析交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，論述了空間電壓矢量與轉(zhuǎn)矩和磁鏈之間的關(guān)系，并給出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

1 研究的目的和意義

隨著交流調(diào)速系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，交流調(diào)速控制理論得到了快速的發(fā)展，越來越多的先進(jìn)的控制方式應(yīng)用到交流調(diào)速中，在交流調(diào)速控制方法中，直接轉(zhuǎn)矩控制具有轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，且無超調(diào)，具有良好的靜動(dòng)態(tài)性能，并且已成功應(yīng)用于通用變頻器，高鐵電動(dòng)牽引等系統(tǒng)中，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)價(jià)值。但是先進(jìn)的交流調(diào)速方法在帶來控制性能改進(jìn)的同時(shí)，對(duì)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件提出了更高的要求[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此的研究主要建立在專用DSP控制器平臺(tái)上，開發(fā)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)成熟，但成本較高、高頻時(shí)鐘的高頻干擾以及功率消耗較大等問題是其明顯的缺點(diǎn)。

2 研究的主要內(nèi)容

（1）學(xué)習(xí)研究直接轉(zhuǎn)矩控制的有關(guān)理論與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各種方法，為設(shè)計(jì)開發(fā)基于ARM的交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。（2）建立基于ARM9內(nèi)核的直接轉(zhuǎn)矩控制嵌入式系統(tǒng)，主要硬件包括S3C2440A CPU、Nand Flash、Nor Flash、SDRAM、觸摸屏（NEC 3.5 inch）接口、ADC轉(zhuǎn)換接口、IIC、UART、USB、以太網(wǎng)接口以及GPIO口等。（3）通過分析控制系統(tǒng)對(duì)嵌入式硬件的要求和控制系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，選擇一款合適的ARM開發(fā)板作為目標(biāo)板，用于系統(tǒng)的快速開發(fā)和原型實(shí)驗(yàn)。針對(duì)交流直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)以及目標(biāo)板的硬件特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)輸入接口電路、大功率繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路、標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)（4-20mA）傳感器輸入，A/D轉(zhuǎn)換接口電路以及用PWM模擬D/A轉(zhuǎn)換的DAC接口轉(zhuǎn)換電路。（4）通過分析當(dāng)前主流嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用開源的Linux操作系統(tǒng)，學(xué)習(xí)研究Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的編譯和移植，Linux根文件系統(tǒng)的制作和移植，Linux環(huán)境下A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序的編寫以及在目標(biāo)板上的移植。（5）在Qtopia嵌入式圖形開發(fā)環(huán)境下，開發(fā)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的圖形界面，將編寫好的驅(qū)動(dòng)程序、圖形界面進(jìn)行交叉編譯，得到應(yīng)用程序的嵌入式可執(zhí)行文件，并移植到目標(biāo)板上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。

3 控制系統(tǒng)程序組成結(jié)構(gòu)

對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)軟件是實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律的關(guān)鍵部分。本系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，采用多進(jìn)程技術(shù)開發(fā)，通過模塊化的設(shè)計(jì)，完成對(duì)兩相電流和母線電壓的AD采樣、直接轉(zhuǎn)矩基本控制、LCD顯示、與PC機(jī)的通信等任務(wù)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)軟件主要包括主程序和中斷處理程序兩大部分。主程序完成軟件和硬件的初始化工作、鍵盤和顯示的處理和開中斷等一些工作。中斷服務(wù)程序包括主中斷服務(wù)程序和功率模塊保護(hù)中斷程序。主中斷服務(wù)程序主要是完成包括A/D采樣、控制策略實(shí)現(xiàn)以及PWM調(diào)制信號(hào)輸出。功率模塊保護(hù)中斷程序主要是處理過壓、過流等故障，對(duì)IPM模塊起保護(hù)作用[2]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用測(cè)試

把設(shè)計(jì)好的各界面文件（*.ui），以及構(gòu)造函數(shù)（*.h）和實(shí)現(xiàn)函數(shù)（*.cpp）、main.cpp，用Qt2提供的progen工具生成項(xiàng)目文件（*.pro），然后用qmake工具生成編譯所需的Makefile文件，通過交叉編譯工具linux-gcc對(duì)項(xiàng)目下的文件進(jìn)行交叉編譯通過后，會(huì)得到應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件。把應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件復(fù)制到Qtopia-2.2.0以及根文件系統(tǒng)_qtopia下的opt/qtopia/bin目錄，庫(kù)文件和字體文件拷入root-qtopia/opt/qtopia/lib目錄下，應(yīng)用系統(tǒng)的圖標(biāo)文件（PNG格式的圖標(biāo)文件）拷入root-qtopia/opt/qtopia/pics目錄，的.desktop桌面配置文件拷入root-qtopia/opt/qtopia/apps/EmbedSky目錄，利用affs2image工具，把root_qtopia目錄制作成映象文件EmbedSky.img。將BootLoader、linux-2.6.30內(nèi)核（zImage）、包含應(yīng)用系根文件系統(tǒng)（qtopia.img）下載到目標(biāo)板的Nand Flash中，整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)就完成了。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了PC與開發(fā)板之間交叉編譯環(huán)境的建立，Uboot的移植，Linux內(nèi)核的移植、配置與編譯，根文件系統(tǒng)的制做等問題。然后在根文件系統(tǒng)下建立了Qt/Embedded圖形用戶界面，并用編寫C++程序?qū)刂葡到y(tǒng)的界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)

[1]譚會(huì)生.ARM嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用開發(fā)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[2]李新峰，何廣生，趙秀文.基于ARM9的嵌入式Linux開發(fā)技術(shù)系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.