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。
0 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T MS320LF2407A 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)硬件框圖
圖1 系統(tǒng)硬件框圖,。
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AT 89S52 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OCMJ4X8B2,； 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,。
TMS320LF2407A 控制單元電路原理圖
圖2 TMS320LF2407A 控制單元電路原理圖,。
光耦隔離電路由6 片東芝公司的TLP127 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E6B2CWZ6C， 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AT 89S52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TMS320LF2407A 計算實現(xiàn)。
測得的電機轉(zhuǎn)速通過AT 89S52 控制系統(tǒng)輸出到液晶顯示單元上實時顯示,。
雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)框圖
圖3 雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)框圖,。
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: L r ， L m 分別為轉(zhuǎn)子自感和互感,； p 是微分算子,； i sq是定子電流在q 軸上的分量； rd 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 坐標系在同步旋轉(zhuǎn)磁場上且靜止坐標系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標系中對應(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:
式中:
為漏磁系數(shù),； r 為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)。
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)rd 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 = - ( i A + i B ) 計算出i C,。電流i A ,， iB ,， i C 通過Clarke 變換和Park 變換得到了dq 坐標系下的勵磁反饋電流i sd和轉(zhuǎn)矩反饋電流isq ,， 與給定的勵磁電流i sd ref 和轉(zhuǎn)矩電流i sqref 的差通過PI 調(diào)節(jié)后,， 再經(jīng)過Park 逆變換輸出!?
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(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i sqref ,， 另一方面進入電流位置磁鏈轉(zhuǎn)換模型求出磁鏈的位置,， 并用于Clar ke 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OCMJ4X8B2 顯示轉(zhuǎn)速,， 轉(zhuǎn)速的顯示范圍為0~ 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,。
程序流程圖
圖4 程序流程圖,。
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,。
實驗波形
圖5 實驗波形,。
5 結(jié) 語
本文采用以T MS320LF2407A 為PWM 控制核心， 以A T89S21 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,。
