基于TMS320LF2407A和AT89S52三相異步電機雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對某裝備中三相交流異步電機調(diào)速的要求，以TMS320LF2407A和AT89S52為核心采用磁場定向控制策略設(shè)計了一電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，給出了硬件原理框圖、關(guān)鍵器件、設(shè)計思想和程序流程圖。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，實時顯示，數(shù)據(jù)存儲，抗干擾強等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：TMS320LF2407A；AT89S52；異步電機；磁場定向控制；實時顯示

O 引言
    三相交流異步電機以其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，價格低，維修方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于武器裝備、給料系統(tǒng)、數(shù)控機床、柔性制造技術(shù)、各種自動化設(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。隨著高性能微處理器及新型電力電子器件的出現(xiàn)，使得應(yīng)用全控型電力電子器件和空間矢量(SVPWM)控制技術(shù)進行變頻調(diào)速的方式已成為交流電機調(diào)速控制的主流。
    相對于其他微處理器，DSP具有運算速度快，可以自己產(chǎn)生有死區(qū)時間的PWM輸出，可以實現(xiàn)諸如模糊控制等復(fù)雜的算法，外圍硬件少等優(yōu)點，因而廣泛用于電機的數(shù)字控制。本文以TMS320LF2407A DSP芯片和AT89S52單片機為核心，設(shè)計了針對三相交流異步電機的全數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實時顯示，數(shù)據(jù)存儲，動態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，抗干擾性強等優(yōu)點。

1 TMS320LF2407A簡介
    TMS320LF2407A主要包括算術(shù)邏輯運算單元(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、時鐘鎖相環(huán)電路、兩個完全等同的事件管理器A，B(包括通用定時器、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。
    TMS320LF2407A采用先進的哈佛結(jié)構(gòu)，流水線作業(yè)，在30 MHz內(nèi)部時鐘頻率下，指令周期僅為33 ns。其內(nèi)部存儲器包含2類RAM塊。一類為DRAM，另一類為SRAM。對DRAM而言又劃分為3個RAM塊，即B0，B1，B2，容量依次為256字，256字，32字。這些RAM全部允許在一個指令周期內(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，B0塊還可以通過程序動態(tài)地配置為數(shù)據(jù)存儲器區(qū)或程序存儲器區(qū)。若配置為程序區(qū)可在上電時把浮點算法子程序或者數(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，這對提高控制系統(tǒng)的動態(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)換時間最短為500 ns(采樣保持+轉(zhuǎn)換時間)。除此之外TMS320LF2407A還有豐富的、功能強大的中斷系統(tǒng)以及常用的I／O接口，這些都使設(shè)計調(diào)速控制系統(tǒng)時的硬件電路得到簡化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    基于TMS320LF2407A三相交流異步電機雙閉環(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。該模塊包含了6個IGBT和6個與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管?？刂齐娐凡糠钟葾T89S52單片機控制單元、TMS320LF2407A控制器單元、電流檢測電路、電壓檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、過流保護電路、液晶顯示電路和鍵盤輸入接口電路等模塊組成。
2．1 AT89S52單片機控制單元
    AT89S52控制單元主要完成以下功能：一是通過鍵盤輸入接口完成對給定轉(zhuǎn)速的設(shè)定；二是通過液晶顯示單元完成對給定轉(zhuǎn)速、電機啟動時轉(zhuǎn)速和達到穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速的顯示；三是完成對雙口RAM中存儲數(shù)據(jù)的讀取，并將讀取的數(shù)據(jù)通過USB接口電路導(dǎo)入上位機或通過D／A輸出電路輸入到模擬設(shè)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可以通過單片機調(diào)用預(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TMS320LF2407A采集的變量波形數(shù)據(jù)。
2．2 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)速檢測電路、電流檢測電路和電壓檢測電路，分別完成對IPM的驅(qū)動、轉(zhuǎn)速檢測與控制、過流保護、過壓和欠壓保護等功能。

    光耦隔離電路由6片東芝公司的TLPl27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信號放大。
    轉(zhuǎn)速檢測電路采用歐姆龍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倍頻后可以實現(xiàn)每轉(zhuǎn)4 096個脈沖，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)動脈沖的寬度，從而調(diào)節(jié)交流電機的轉(zhuǎn)速。
    電流采樣電路采用3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(dāng)其值大于過電流值時，相應(yīng)過流保護電路動作產(chǎn)生保護信號，關(guān)斷PWM信號的輸出；另外兩路檢測流過電動機的電流，通過變換改變DSP輸出的驅(qū)動脈沖，進而保持電機的轉(zhuǎn)速不變。在本文設(shè)計的控制系統(tǒng)中，TMS320LF2407A采用了ADCIN00，ADCIN01和ADCIN02三路通道，以采集電機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、下限值時，DSP關(guān)斷PWM脈沖的輸出，從而實現(xiàn)過壓和欠壓保護功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 閉環(huán)調(diào)速控制的原理
    本文設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

    其中，給定速度由鍵盤輸入接口電路輸入AT89S52單片機控制系統(tǒng)，速度PI調(diào)節(jié)、電流PI調(diào)節(jié)、磁場位置角和轉(zhuǎn)速反饋量的計算由TMS320 LF2407A計算實現(xiàn)。測得的電機轉(zhuǎn)速通過AT89S52控制系統(tǒng)輸出到液晶顯示單元上實時顯示。
    假設(shè)電機定轉(zhuǎn)子三相繞組完全對稱；定轉(zhuǎn)子表面光滑，無齒槽效應(yīng)，定轉(zhuǎn)子每相氣隙磁動勢在空間呈正弦分布；磁飽和、渦流及鐵心損耗均忽略不計，則三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)矩方程如下：
    
    式中：Lr，Lm分別為轉(zhuǎn)子自感和互感；p是微分算子；isq是定子電流在q軸上的分量；ψrd是轉(zhuǎn)子磁鏈在d軸上的分量。
    從式(1)可以看出，異步電機的轉(zhuǎn)矩與定子電流矢量和轉(zhuǎn)子磁場以及夾角有關(guān)。因此，要想控制轉(zhuǎn)矩，必須先檢測和控制磁通。當(dāng)dq坐標(biāo)系在同步旋轉(zhuǎn)磁場上且靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中對應(yīng)的直流量時，使d軸和轉(zhuǎn)子磁場方向重合，可得到磁場定向控制方程如下：

    由式(2)可知，檢測到定子電流的d軸分量(勵磁分量)可觀測出轉(zhuǎn)子磁通幅值；由式(4)可知，當(dāng)ψrd恒定時，只要控制定子電流的q軸分量(轉(zhuǎn)矩分量)，即可控制電磁轉(zhuǎn)矩。具體工作原理如下：
    通過電流傳感器測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ic=-(iA+iB)計算出ic。電流iA，iB，iC通過Clarke變換和Park變換得到了dq坐標(biāo)系下的勵磁反饋電流isd和轉(zhuǎn)矩反饋電流isq，與給定的勵磁電流isdref和轉(zhuǎn)矩電流isqref的差通過PI調(diào)節(jié)后，再經(jīng)過Park逆變換輸出αβ坐標(biāo)下的電壓，DSP利用該電壓生成三相逆變器所需的六路驅(qū)動信號。實時測量的電機轉(zhuǎn)速信號一方面用于與給定速度比較產(chǎn)生isqref，另一方面進入電流一位置磁鏈轉(zhuǎn)換模型求出磁鏈的位置，并用于Clarke和Park逆變換。
3．2 程序流程圖
    AT89S52單片機控制系統(tǒng)上電后，首先通過鍵盤輸入接口輸入給定轉(zhuǎn)速，單片機將給定轉(zhuǎn)速存儲在雙口RAM中，同時，給定轉(zhuǎn)速通過單片機P0口輸出到液晶顯示單元的驅(qū)動控制芯片SED1520，由SED1520驅(qū)動OCMJ4X8B-2顯示轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的顯示范圍為O～9 999 r／min，然后通過鍵盤來確定是否要對相關(guān)變量采樣并存儲。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，運行初始化程序完成初始狀態(tài)的設(shè)定(包括對相關(guān)變量采樣數(shù)據(jù)存儲等)，DSP控制系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)速和電樞電流采樣，與給定值進行比較，若達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，則循環(huán)運行，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速改變時，進入中斷處理子程序。主程序流程圖和中斷處理子程序流程圖分別如圖4(b)和圖4(c)所示。

4 實驗結(jié)果
    對電機的轉(zhuǎn)速、定子電流、磁通等變量進行采樣、保存，并通過USB接口電路轉(zhuǎn)移到上位機；在上位機上得到的實驗波形如圖5所示，波形的數(shù)據(jù)采樣點為2 048。

    從圖5(a)上可以看出，電機在很短的時間內(nèi)達到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值1 000 r／min。在啟動過程中，定子電流由于PWM控制，產(chǎn)生一定的波動，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值后，定子電流也很快趨于穩(wěn)定，動態(tài)響應(yīng)很快；從圖5(b)上可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，定子電流的q軸分量(轉(zhuǎn)矩分量)基本沒有變化，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也不會發(fā)生變化；從圖5(c)和(d)可以看出，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，電機的磁場變化幅度可以忽略，從而電機的轉(zhuǎn)速也不會發(fā)生變化，即設(shè)計的控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速的控制精度很高，完全達到了設(shè)計要求。

5 結(jié)語
    本文采用以TMS320LF2407A為PWM控制核心，以AT89S21控制單元為電機轉(zhuǎn)速控制管理核心的三相交流異步電機雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲、實時顯示等功能。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快，控制精度高等優(yōu)點。實踐證明，該系統(tǒng)還具有較好的抗干擾性。該系統(tǒng)對電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)也具有較高的指導(dǎo)意義。