基于TMS320LF2407A和AT89S52三相異步電機雙閉環(huán)調速控制系統(tǒng)設計

摘要：針對某裝備中三相交流異步電機調速的要求，以TMS320LF2407A和AT89S52為核心采用磁場定向控制策略設計了一電流、轉速雙閉環(huán)調速控制系統(tǒng)，給出了硬件原理框圖、關鍵器件、設計思想和程序流程圖。實驗結果表明，該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應快，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構簡單，體積小，重量輕，價格低，維修方便等優(yōu)點，廣泛應用于武器裝備、給料系統(tǒng)、數(shù)控機床、柔性制造技術、各種自動化設備等領域，其轉速控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決定了設備性能的發(fā)揮。隨著高性能微處理器及新型電力電子器件的出現(xiàn)，使得應用全控型電力電子器件和空間矢量(SVPWM)控制技術進行變頻調速的方式已成為交流電機調速控制的主流。
    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，設計了針對三相交流異步電機的全數(shù)字調速控制系統(tǒng)。實驗結果表明，該系統(tǒng)具有實時顯示，數(shù)據(jù)存儲，動態(tài)響應快，控制精度高，抗干擾性強等優(yōu)點。

1 TMS320LF2407A簡介
    TMS320LF2407A主要包括算術邏輯運算單元(CALU)、寄存器集、輔助算術邏輯單元(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采用先進的哈佛結構，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轉換器，轉換時間最短為500 ns(采樣保持+轉換時間)。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，這些都使設計調速控制系統(tǒng)時的硬件電路得到簡化。

2 系統(tǒng)硬件設計
    基于TMS320LF2407A三相交流異步電機雙閉環(huán)調速控制系統(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。控制電路部分由AT89S52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。[!--empirenews.page--]
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速的設定；二是通過液晶顯示單元完成對給定轉速、電機啟動時轉速和達到穩(wěn)態(tài)時轉速的顯示；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接口電路導入上位機或通過D／A輸出電路輸入到模擬設備。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用預設的漢字，可以輸入數(shù)字(用來設置轉速)；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的驅動、轉速檢測與控制、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。
    轉速檢測電路采用歐姆龍1024原旋轉型線編碼器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4 096個脈沖，從而保證了轉速的精度。根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)與給定數(shù)據(jù)比較，調整DSP輸出驅動脈沖的寬度，從而調節(jié)交流電機的轉速。
    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，當其值大于過電流值時，相應過流保護電路動作產(chǎn)生保護信號，關斷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輸出的驅動脈沖，進而保持電機的轉速不變。在本文設計的控制系統(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)，在電壓超過設定的上、下限值時，DSP關斷PWM脈沖的輸出，從而實現(xiàn)過壓和欠壓保護功能。

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

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    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調節(jié)、電流PI調節(jié)、磁場位置角和轉速反饋量的計算由TMS320 LF2407A計算實現(xiàn)。測得的電機轉速通過AT89S52控制系統(tǒng)輸出到液晶顯示單元上實時顯示。
    假設電機定轉子三相繞組完全對稱；定轉子表面光滑，無齒槽效應，定轉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矩方程如下：
    
    式中：Lr，Lm分別為轉子自感和互感；p是微分算子；isq是定子電流在q軸上的分量；ψrd是轉子磁鏈在d軸上的分量。
    從式(1)可以看出，異步電機的轉矩與定子電流矢量和轉子磁場以及夾角有關。因此，要想控制轉矩，必須先檢測和控制磁通。當dq坐標系在同步旋轉磁場上且靜止坐標系中的各交流量轉化為旋轉坐標系中對應的直流量時，使d軸和轉子磁場方向重合，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)可觀測出轉子磁通幅值；由式(4)可知，當ψrd恒定時，只要控制定子電流的q軸分量(轉矩分量)，即可控制電磁轉矩。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轉換器轉換成數(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坐標系下的勵磁反饋電流isd和轉矩反饋電流isq，與給定的勵磁電流isdref和轉矩電流isqref的差通過PI調節(jié)后，再經(jīng)過Park逆變換輸出αβ坐標下的電壓，DSP利用該電壓生成三相逆變器所需的六路驅動信號。實時測量的電機轉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速，單片機將給定轉速存儲在雙口RAM中，同時，給定轉速通過單片機P0口輸出到液晶顯示單元的驅動控制芯片SED1520，由SED1520驅動OCMJ4X8B-2顯示轉速，轉速的顯示范圍為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)的設定(包括對相關變量采樣數(shù)據(jù)存儲等)，DSP控制系統(tǒng)對電機轉速和電樞電流采樣，與給定值進行比較，若達到設定轉速，則循環(huán)運行，當給定轉速改變時，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。[!--empirenews.page--]

4 實驗結果
    對電機的轉速、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)達到設定的轉速值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，當轉速達到設定值后，定子電流也很快趨于穩(wěn)定，動態(tài)響應很快；從圖5(b)上可以看出，當轉速發(fā)生變化時，定子電流的q軸分量(轉矩分量)基本沒有變化，電機的電磁轉矩也不會發(fā)生變化；從圖5(c)和(d)可以看出，當電機轉速發(fā)生變化時，電機的磁場變化幅度可以忽略，從而電機的轉速也不會發(fā)生變化，即設計的控制系統(tǒng)對轉速的控制精度很高，完全達到了設計要求。

5 結語
    本文采用以TMS320LF2407A為PWM控制核心，以AT89S21控制單元為電機轉速控制管理核心的三相交流異步電機雙閉環(huán)調速控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲、實時顯示等功能。實驗結果表明，該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應快，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)對電機調速系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)也具有較高的指導意義。