徐金陽

摘要：DSP的應(yīng)用是繼單片機(jī)之后，當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中最為熱門的關(guān)鍵技術(shù)之一，已成為數(shù)字化信息時代的核心引擎，廣泛應(yīng)用于家電、通信、航空航天、工業(yè)測量、控制及軍事等許許多多需要實(shí)時實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域。該文是以TMS320F2812為核心器件，建立矢量控制系統(tǒng)的模型，提供了一種異步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；TMS320F2812；DSP應(yīng)用

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)02-0471-02

該文所選用的TMS320F2812是32位的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，是目前國際市場上應(yīng)用廣泛，功能強(qiáng)大的定點(diǎn)DSP芯片。它繼承了數(shù)字信號處理的諸多優(yōu)點(diǎn)，例如可調(diào)整的哈佛總線結(jié)構(gòu)和循環(huán)尋址方式。同時TMS320F2812使用精簡指令集，從而使CPU能夠周期地執(zhí)行寄存器到寄存器的操作。它既具有強(qiáng)大的事件管理能力，又具有強(qiáng)大的事件處理能力和嵌入式控制功能，特別適用于大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合。

1矢量控制基本原理及控制實(shí)現(xiàn)方法

由于交流異步電機(jī)是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量復(fù)雜系

統(tǒng)，對異步電機(jī)直接實(shí)現(xiàn)控制很難達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。矢量控制是基于電機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的高性能控制系統(tǒng)，它根據(jù)坐標(biāo)變換理論，采用按轉(zhuǎn)子磁場定向，把定子電流矢量分解為在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的兩個互相垂直的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量，實(shí)現(xiàn)定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦，通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，得到了與他勵直流電動機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，采用矢量控制技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能基本達(dá)到了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的水平。

在坐標(biāo)變換中，選擇d軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶康姆较?，則ψrd=ψr，ψrq=0。

當(dāng)考慮到籠型轉(zhuǎn)子內(nèi)部是短路的，則：urd=urd=0。

由此可得到異步電動機(jī)的磁鏈方程和電壓方程如下：

ψsd=Lsisd+Lmirdusd=Rsisd+pψsd-ωlψsq

ψsq=Lsisq+Lmirqusq=Rsisq+p +ωlψsq

ψrd=Lmisd+Lrirdurd=Rrird+pψrd=0

ψrq=Lmisq+Lrird=0 urq=Rrirq+ωsψrd=0

isq=Trω1ψrd/Lmψrd= Lmisd/(1+Trp)

ω1=ωs+ω=Lmisq/Trψrd+ω

Te=npLmψrdisq/Lr=npψ2rdωs/Rr

usd=Rsisd+σLspisd+ Lmpψrd/Lr-ω1σLsisq

usq=Rsisq+σLspisq+ Lmωsψrd/Lr-ω1σLsisd

式中參數(shù)定義：

usd，usq，isd，isq，ψsd，ψsq——dq坐標(biāo)系中定子電壓、電流和磁鏈

urd，urq，isd，irq，ψrd，ψrq——dq坐標(biāo)系中定子電壓、電流和磁鏈Ls，Lr，Lm，Rs，Rr——dq坐標(biāo)系中定子自感、轉(zhuǎn)子自感和它們的互感以及定子電阻和轉(zhuǎn)子（折算后）的電阻。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由如下構(gòu)成:

①PC機(jī)和RS 232串行連接線。

②TMS320C2xx JTAG標(biāo)準(zhǔn)仿真器。

③主電路:包括1個三相全橋整流器和1個智能功率模塊IPM。

④TMS320F2812控制板:這是整個控制系統(tǒng)的核心,板上預(yù)留端口資源豐富,使用非常方便靈活。⑤鍵盤及數(shù)碼管電路:用于與控制板的交換和狀態(tài)監(jiān)視。

⑥霍爾傳感器:用于采樣兩相定子電流和直流母線電壓。

⑦光電編碼器和電動機(jī)。

主電路是一個典型的三相交-直-交電壓源型逆變電路。采用IPM (智能功率模塊)作為逆變器的主開關(guān)器件,結(jié)構(gòu)簡單、外圍元件少、可靠性高。通過三相不控整流后向逆變器和開關(guān)電源供電。

開關(guān)電源輸出隔離的電源分別給IPM的驅(qū)動電路、DSP控制板以及冷卻風(fēng)扇供電。同時,主電路配備了全面的保護(hù)措施,即使在控制器工作不正常的情況下,主電路也不易損壞,從而更有效地保證了實(shí)驗人員的人身安全和設(shè)備的安全。逆變電路的直流側(cè)和輸出的交流側(cè)設(shè)置了電壓、電流檢測電路。

主電路配置：如圖2所示。圖中，虛線框表示智能功率模塊，R4為制動電阻。啟動整流模塊通過充電電阻R1向電容C1和C2充電，以防止充電電流過大。當(dāng)C1和C2上的電壓達(dá)到額定值時，繼電器J1吸合，將R1短路掉，防止R1消耗能量。電壓霍爾傳感器和電流霍爾傳感器分別用來檢測直流母線電壓以及A相和B相電流。功率開關(guān)Sbrake用于電機(jī)制動時泄放能量，當(dāng)電機(jī)制動時，機(jī)械能轉(zhuǎn)換電能向直流母線回饋，使得直流母線上的電容電壓抬升。為了防止直流母線電壓過高，導(dǎo)致器件故障，需要控制Sbrake導(dǎo)通，將部分能量通過R4制動電阻泄放。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的流程包括主程序和中斷服務(wù)程序兩大部分，如圖所示。復(fù)位后，主程序開始對驅(qū)動參數(shù)、應(yīng)用參數(shù)和DSP內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行初始化;然后進(jìn)入后臺等待循環(huán)。后臺循環(huán)包含故障檢測、啟動/停車控制、速度給定檢測、制動控制和狀態(tài)機(jī)控制。

圖3所示為異步電機(jī)矢量控制的基本軟件結(jié)構(gòu)。其中中斷服務(wù)程序包含以下3個程序：

1）ADC掃描結(jié)束中斷服務(wù)程序：用來控制ADC掃描和PWM控制。ADC與PWM脈沖信號同步。PWM值寄存器在該中斷服務(wù)程序中被刷新。其中斷周期為125μs，即PWM頻率為8kHz。

2）定時器C的通道0比較匹配中斷服務(wù)程序：用來執(zhí)行一些定期需要處理的控制，如檢測開關(guān)狀態(tài)等。其中斷周期為1000μs。

3）PWMA故障中斷服務(wù)程序：用來處理外部的硬件故障。

4結(jié)論

采用高性能的DSP芯片TMS320F2812是目前對電機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制的一個必然趨勢。利用本系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)對異步電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字化控制，能使用戶能在最短的時間內(nèi)完成不同控制策略和不同控制對象的實(shí)驗過程。

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