基于雙DSP的異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹海紅

摘 要：在電力電子技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，電機(jī)控制也逐漸朝著更優(yōu)化、高效的方向發(fā)展。為了解決傳統(tǒng)變頻器中利用二極管不控整流中具有較大的網(wǎng)側(cè)電流諧波含量的問題，設(shè)計(jì)基于雙DSP的嵌入式異步電機(jī)控制系統(tǒng)。通過雙DSP控制系統(tǒng)辨識(shí)電機(jī)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)矢量控制，對(duì)比單DSP控制系統(tǒng)，能夠提高計(jì)算速度與采樣精度，并且提高系統(tǒng)外部拓展的性能。通過試驗(yàn)表示，在閉環(huán)調(diào)速過程中的效果良好。雙DSP系統(tǒng)在電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制過程中，能夠提高速度估算的效率與精準(zhǔn)性，對(duì)于電機(jī)控制較為精準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：DSP技術(shù);嵌入式;異步電機(jī)控制

中圖分類號(hào)：TM359.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）08-0143-04

Design of Asynchronous Motor Control System

Based on Dual DSP

Cao Haihong

（School of Automation Engineering， Xi an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi an 710089， China）

Abstract：In the process of continuous development of power electronics technology， motor control is also gradually developing towards a more optimized and efficient direction. An embedded asynchronous motor control system based on double DSP is designed to solve the problem of large grid-side current harmonic content in the uncontrolled rectification using diodes in traditional frequency converters. The motor parameters are identified by the dual DSP control system， and the vector control is realized. By comparing the single DSP control system， the calculation speed and sampling accuracy can be improved， and the performance of the external expansion of the system can be improved. It is shown by the test that the effect is good in the closed loop speed regulation process. Double DSP system can improve the efficiency and accuracy of speed estimation during the motor speed sensorless vector control process， and is more accurate for motor control.

Key words：DSP technology; embedded; asynchronous motor control

異步電機(jī)為強(qiáng)耦合、多變量、非線性的系統(tǒng)，其控制策略發(fā)展包括開環(huán)控制、矢量控制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)滑差頻率控制等。文章提出基于雙DSP的嵌入式異步電機(jī)控制系統(tǒng)，通過TI公司TMS320VC33、TMS320LF2407構(gòu)成。TMS320LF240x系列電機(jī)控制專用DSP集成豐富電機(jī)控制專用的外設(shè)與通訊功能，但是16位定點(diǎn)處理器核心速度在開發(fā)高性能電機(jī)控制過程中存在不足，定點(diǎn)CPU結(jié)構(gòu)限制了C語(yǔ)言、浮點(diǎn)算法的使用，導(dǎo)致大量計(jì)算編程比較困難。但是TMS320C3x系列DSP為高速32位浮點(diǎn)DSP，集成外圍硬件比較少，其運(yùn)算速度與精度超過16位定點(diǎn)處理器，并且支持C語(yǔ)言編程。文章所提出雙DSP嵌入式異步電機(jī)控制平臺(tái)，使電機(jī)控制結(jié)合專用DSP與浮點(diǎn)DSP，將其優(yōu)勢(shì)充分展現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)高性能控制算法，簡(jiǎn)化電力電子系統(tǒng)研發(fā)。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

使用雙微處理器控制板構(gòu)成系統(tǒng)電路，圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。此交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)控制電路為TMS320VC33、TMS320LF2407與少量外圍電路構(gòu)成，將DSP作為主控芯片，浮點(diǎn)運(yùn)算功能強(qiáng)大的TMS320VC33計(jì)算變換器控制算法，尤其是浮點(diǎn)運(yùn)算;TMS320LF2407不僅要計(jì)算部分定點(diǎn)算法，還要通過豐富的外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)產(chǎn)生、鍵盤、外圍邏輯、通信、顯示等功能?？删幊炭刂破魇褂肕AX7000S，實(shí)現(xiàn)端口譯碼、系統(tǒng)保護(hù)與脈沖輸出。程序?qū)χ虚g結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，利用D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)觀測(cè)輸出。為了方便程序的調(diào)試，TMS320LF2407擴(kuò)展RAM，實(shí)現(xiàn)TMS320LF2407程序的存儲(chǔ)，調(diào)試之后的最終程序燒寫到內(nèi)部FLASM中。在TMS320VC33側(cè)調(diào)試過程中，程序在內(nèi)部RAM中直接裝載，并且為TMS320VC33擴(kuò)展Flash，在最終TMS320VC33程序中存儲(chǔ)[1]。如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主電路

異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)主電路為電動(dòng)機(jī)工作驅(qū)動(dòng)電路，通過濾波電路、整流模塊、異步電動(dòng)機(jī)、逆變器等構(gòu)成，整流電路通過6個(gè)二極管創(chuàng)建三相不可控整流電路，通過大電容構(gòu)成濾波模塊，通過6個(gè)續(xù)流二極管與全控型IGBT構(gòu)成，為智能功率模塊IPM。

三相交流電通過不可控整流電路模塊使交流電轉(zhuǎn)變成為直流電，通過濾波大電容將雜質(zhì)波去除，從而得出優(yōu)質(zhì)直流電，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的時(shí)候，開關(guān)QK打開，使電阻接入到電路中，使上電沖擊電流得到降低，避免起動(dòng)的時(shí)候?qū)е逻^流損壞。在電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行過程中，開關(guān)閉合，電阻短接，使電路功率消耗得到降低，利用電阻R1與R2電壓的檢測(cè)對(duì)整流電壓測(cè)試，將其作為檢測(cè)端子引出。逆變器部分通過六個(gè)功率開關(guān)管構(gòu)成三相橋式逆變電路，此部分使用智能功率IPM，其使功率開關(guān)器件IGBT、電流傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路與故障檢測(cè)相互統(tǒng)一，在存在故障的時(shí)候，內(nèi)部檢測(cè)電路迅速反應(yīng)，在處理器發(fā)送檢測(cè)故障信號(hào)，使保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)，避免集成模塊出現(xiàn)損壞，提高IPM效率與可靠性。在電機(jī)制動(dòng)的時(shí)候，利用POM內(nèi)部制動(dòng)電路和電阻實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)[2]。

2.2 雙口RAM設(shè)計(jì)

雙口RAM指的是多端口共享式的存儲(chǔ)器，能夠共享存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。其中具有兩組獨(dú)立控制線、地址線、數(shù)據(jù)線，使兩個(gè)獨(dú)立控制器、CPU對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行訪問。內(nèi)部的仲裁邏輯控制的主要功能為信令交換邏輯、Busy邏輯控制等。

Busy控制邏輯為解決同個(gè)存儲(chǔ)單位訪問沖突問題所設(shè)計(jì)，雙口RAM中已經(jīng)具備相應(yīng)邏輯電路使此問題得到解決。先行穩(wěn)定地址端口利用仲裁電路優(yōu)先的讀寫，并且內(nèi)部電路能夠使另外端口信號(hào)有效，禁止內(nèi)部對(duì)方訪問，直到結(jié)束此端口操作。Busy信號(hào)為CPU RDY信號(hào)來(lái)源，使CPU處于等待的狀態(tài)。

控制訪問權(quán)能夠使雙口RAM指定存儲(chǔ)區(qū)，只使一端CPU使用，將其作為獨(dú)占模式。IDT70V24設(shè)置獨(dú)立RAM陣列的SEM單元，應(yīng)用到標(biāo)志雙口RAM是否在獨(dú)占模式中，獨(dú)占模式能夠避免地址仲裁的問題[3]。

2.3 電流檢查電路的設(shè)計(jì)

三相異步電動(dòng)機(jī)定子電流監(jiān)測(cè)指的是使三相定子電流轉(zhuǎn)變成為二進(jìn)制代碼，使程序矗立于計(jì)算更加的方便。使用三相平衡負(fù)載設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)，只要全面的監(jiān)測(cè)兩路電流，能夠得到有效三相電流。

如圖2所示，霍爾電流傳感器一路輸出信號(hào)能夠利用R26電阻轉(zhuǎn)變，使其成為雙極性電壓信號(hào);此信號(hào)利用電平偏移實(shí)現(xiàn)電路的放大，到DSP中傳輸，利用第0通道對(duì)電流進(jìn)行采樣。文章實(shí)現(xiàn)電平偏移放大電路的設(shè)計(jì)過程中，主要包括電阻、雙運(yùn)算放大器。LM366具備2.5V基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)芯片[4]，電平朝著電流轉(zhuǎn)變的計(jì)算公式為：

限幅電路通過二極管D6與D7創(chuàng)建，DSP輸出設(shè)置為0～3.3V之間。在設(shè)計(jì)嵌入式異步電機(jī)控制系統(tǒng)中，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓為3.3V。

2.4 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊

在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速為必須測(cè)試的參數(shù)，一般使用增量式光電編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，帶動(dòng)編碼器內(nèi)部圓形光柵盤實(shí)現(xiàn)同軸遮擋，因?yàn)楣鈻疟P中具備均勻長(zhǎng)方形孔，所以在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中LED光有時(shí)被遮擋，有時(shí)候被透過，所以輸出脈沖波。圖3為光電編碼器三路輸出，包括三相A、B、Z信號(hào)輸出，利用A與B任意一項(xiàng)頻率對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算，A與B兩相相位相差90°，相互結(jié)合的兩相信息對(duì)電極正反轉(zhuǎn)進(jìn)行確定，Z相對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行確定，一般電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周Z相才能夠輸出脈沖。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，硬件平臺(tái)利用嘉德光電生產(chǎn)ESP3806光電編碼器，電機(jī)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一圈，A和B兩相各輸出2048個(gè)脈沖，光電編碼器輸出信號(hào)無(wú)法直接連接DSP的QEP引腳，利用光耦隔離之后進(jìn)入到DSP中實(shí)現(xiàn)處理，硬件平臺(tái)使用高速6N137光耦。在DSP中輸出的信號(hào)通過處理計(jì)算，能夠得到異步電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速[5]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

通過系統(tǒng)將所有功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，劃分系統(tǒng)成為再生制動(dòng)、信號(hào)收集、電動(dòng)運(yùn)行與動(dòng)態(tài)顯示等并行任務(wù)。其次，實(shí)現(xiàn)中斷子程序的設(shè)計(jì)，使智能控制功率和保護(hù)欠流、短路、過壓、過流等功能得到實(shí)現(xiàn)。全部任務(wù)都能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存空間與優(yōu)先級(jí)的分配，使優(yōu)先級(jí)得到提高。使數(shù)值縮小，表示優(yōu)先級(jí)高。實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)任務(wù)高優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，所以具有較高的任務(wù)實(shí)時(shí)性。假如啟動(dòng)不及時(shí)，或者結(jié)束過早，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損害;在運(yùn)行的過程中，信號(hào)收集的過程比較頻繁，為其他系統(tǒng)提供必須、可靠的參數(shù)，所以優(yōu)先級(jí)高。顯示任務(wù)能夠顯示控制參數(shù)和菜單，人機(jī)交互無(wú)法影響控制器性能，設(shè)計(jì)低優(yōu)先級(jí);實(shí)現(xiàn)常規(guī)電動(dòng)運(yùn)動(dòng)任務(wù)狀態(tài)的設(shè)置，設(shè)置優(yōu)先級(jí)為次級(jí)。將靜態(tài)優(yōu)先級(jí)設(shè)置到系統(tǒng)中，不改變運(yùn)行過程中的優(yōu)先級(jí)。通過信號(hào)量實(shí)現(xiàn)各任務(wù)的開展，嵌入式操作系統(tǒng)中對(duì)DSP軟件流程的編寫比較簡(jiǎn)單，如圖4所示。

在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，電動(dòng)運(yùn)行的任務(wù)較為重要，實(shí)時(shí)傳遞消息隊(duì)列、郵箱隊(duì)列等，在線調(diào)節(jié)控制算法，對(duì)電機(jī)加減速和允許運(yùn)行進(jìn)行控制，如圖5所示。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用Matlab仿真軟件，仿真參數(shù)設(shè)置為：中間整流電壓牽引時(shí)設(shè)置為2600V，直流側(cè)電容設(shè)置為16uF;變壓器二次側(cè)電壓設(shè)置為1500V，三角載波頻率設(shè)置為1250Hz，網(wǎng)側(cè)漏電阻設(shè)置為0.2Ω，牽引變壓器二次側(cè)漏感設(shè)置為2mH;額定功率設(shè)置為300kW，額定頻率設(shè)置為140Hz，額定線電壓設(shè)置為2000V。

通過測(cè)試結(jié)果表示，調(diào)速范圍在負(fù)載或者空載時(shí)，能夠降低靜差率，對(duì)一般直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，具備優(yōu)良性能。相電流接近于正弦波，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。在電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加的過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)塊，穩(wěn)態(tài)誤差控制為4%，說(shuō)明系統(tǒng)的性能良好。此系統(tǒng)給出嵌入式異步電機(jī)控制基于雙DSP的嵌入式實(shí)時(shí)解決方案，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出來(lái)，將矢量控制技術(shù)應(yīng)用到交流調(diào)速系統(tǒng)中，能夠?qū)o態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化，完善保護(hù)功能。另外，將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中使用控制器，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了基于雙DSP的嵌入式異步電機(jī)控制系統(tǒng)，充分結(jié)合TMS320VC33、TMS320LF2407芯片的優(yōu)點(diǎn)。利用VC33實(shí)現(xiàn)大量復(fù)雜實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算，通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)的交流，并且實(shí)現(xiàn)兩者相互協(xié)調(diào)，使控制周期得到縮短，使控制平臺(tái)性能得到提高。利用試驗(yàn)表示，電機(jī)矢量控制效果良好，基于雙DSP的控制平臺(tái)滿足異步電機(jī)矢量控制器設(shè)計(jì)的需求。

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