逄海萍,張真真

(青島科技大學 自動化與電子工程學院,山東 青島　266042)

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DSP基于模型的異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制

逄海萍,張真真

(青島科技大學 自動化與電子工程學院,山東 青島266042)

摘要針對傳統(tǒng)DSP代碼編程繁瑣、程序修改復雜、效率低等缺點,研究一種基于模型的編程方法。該方法結(jié)合Simulink中的Embedded Target for TI C2000 DSP模塊對算法進行搭建,然后利用Real-Time Workshop完成代碼自動生成并下載到DSP中,具有編程簡單、容易對算法進行修改、效率高等優(yōu)點。以TMS320F2812DSP作為控制器,將這種方法應用于異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制DTC系統(tǒng)的設(shè)計,實驗中電機能夠平穩(wěn)運行并擁有良好的起動、制動性能,結(jié)果表明這種方法具有可行性和高效性的特點。

關(guān)鍵詞DTC;TMS320F2812 DSP;模塊化編程;異步電機

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,智能化、數(shù)字化、集成化已成為發(fā)展的趨勢,數(shù)字信號處理器(DSP,digital signal processor)因其有運算速度快、控制能力強的特點而被廣泛應用在運動控制領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的DSP設(shè)計開發(fā)將控制算法與軟件編程分開、代碼編寫復雜,開發(fā)周期長、費用高,市場競爭力非常小[2],利用基于模型設(shè)計技術(shù)可以解決這些問題。該技術(shù)誕生于20世紀90年代中期,經(jīng)過十多年的發(fā)展與逐步完善已被廣泛接受[3]。它借助Matlab/Simulink中的模塊對算法進行搭建,然后由計算機來完成嵌入式實時C代碼的編程工作[4],這樣就能夠使設(shè)計者將更多的精力投入到算法的研究上。近年來,這項新技術(shù)在國外已應用到一些大型創(chuàng)新項目上,在國內(nèi)也逐漸得到發(fā)展。在電力電子、運動控制領(lǐng)域,已有一些基于模型化設(shè)計的方法用在了設(shè)計DSP控制器上[5],還有一些應用在SVPWM和SPWM控制算法模型[6-9],永磁同步電機的DSP控制系統(tǒng)上[10]。

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC,direct torque control)是一種新型的交流變頻調(diào)速技術(shù),控制異步電機時擁有優(yōu)越的動靜態(tài)性能。但目前將DTC模塊化算法應用在異步電機控制上的案例還很少[11],我們以TMS320F2812 DSP為控制芯片,借助Matlab/ Simulink中的Target Support Package for Texas Instruments C2000中模塊搭建DTC算法,通過Real-Time Workshop自動生成代碼下載到DSP中,完成對異步電機的控制。最后由實驗結(jié)果來驗證這種方法的正確性與可行性。

1異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型,只需知道定子側(cè)電阻,通過簡單的計算就能控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,不需要將交流電動機轉(zhuǎn)化成等效直流電動機,因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜的計算。選擇定子磁鏈作為被控量,計算磁鏈的模型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響,提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是電壓型控制系統(tǒng),控制沒有電流環(huán),控制手段均為空間電壓矢量,在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里,利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩,其控制原理如圖1所示。

圖1　異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制Fig.1　Block diagram of direct torque control of asynchronous motor

檢測電機的電壓電流,經(jīng)過3/2變換,然后對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行估算,與設(shè)定值進行比較,根據(jù)定子磁鏈幅值偏差Δψs的正負符號和電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe的正負符號并經(jīng)過磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較,再依據(jù)當前定子磁鏈矢量ψs所在的位置進行扇區(qū)判斷,直接選取合適的電壓空間矢量,減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差,實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制。

用DSP作為控制器實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制,若用C語言編程,則工作量非常大,而采用基于模塊化的編程方法來實現(xiàn)電機的控制,就會變得簡單實用,而且可以大大提高開發(fā)效率。

2DSP模型化算法設(shè)計過程

TMS320F2812是TI公司一款功能非常強大的32位定點DSP,它有強大控制功能和豐富的端口資源,主頻為150 MHz,廣泛應用于工業(yè)自動化、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等各種領(lǐng)域[12]。建立基于DSP模型化的算法,首先在Matlab/Simulink圖形平臺上搭建DTC控制算法的系統(tǒng)模型,經(jīng)過RTW自動生成代碼,然后通過CCS IDE編譯、鏈接生成目標代碼下載到目標DSP板中,完成對異步電機的控制,其模型化項目設(shè)計過程如圖2所示。

3基于模型設(shè)計的直接轉(zhuǎn)矩控制

3.1主程序模塊

在該設(shè)計中利用Hardware interrupt模塊來實現(xiàn)主程序調(diào)用子程序算法調(diào)度。其使用方法如圖3所示。圖3中ADC trigger為搭建的子程序算法。在異步電機的DTC控制系統(tǒng)中,僅需一個ADC觸發(fā)中斷,所以Hardware Interrupt模塊中僅需設(shè)置一個中斷。

圖2　模型化項目設(shè)計過程Fig.2　Process of modeled project design

圖3　主程序框圖Fig.3　Block diagram of main program

使用Real-Time Workshop前要在主界面加入Target Preferences模塊用來設(shè)置模型IDE、板型和處理器型號等。將板型選擇為SD F2812 eZDSP,CPU的時鐘頻率選擇為150 MHz,然后根據(jù)實際需要來對DSP的工作參數(shù)、存儲器、段及外設(shè)硬件資源進行相應設(shè)置。

3.2直接轉(zhuǎn)矩控制模塊

系統(tǒng)設(shè)計中ADC trigger模塊是中斷子程序,里面包含的是異步電機直接轉(zhuǎn)矩的控制模塊,如圖4所示,其中包括磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊、Clarke變換模塊、脈沖產(chǎn)生模塊、PWM模塊。

圖4　模塊化的DTC算法Fig.4　Modularized DTC algorithm

利用DSP的ADC模塊采集電壓、電流,經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進行磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計算[13],得到實際的磁鏈與轉(zhuǎn)矩,實際的定子磁鏈與設(shè)定的磁鏈比較后經(jīng)過定子磁鏈調(diào)節(jié)器得到定子磁鏈幅值偏差的符號函數(shù)SF和扇區(qū)的選擇,實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器得到期望的電磁轉(zhuǎn)矩Te*,然后與經(jīng)過Clarke變換得到的實際的電磁轉(zhuǎn)矩Te相減,經(jīng)過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器得到電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號函數(shù)ST,SF、SS、ST和Te*經(jīng)過脈沖產(chǎn)生模塊結(jié)合DSP的PWM模塊共同產(chǎn)生PWM波來控制電機。其中,速度調(diào)節(jié)器為PID算法調(diào)節(jié),定子磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器都是帶有滯環(huán)的雙位式控制器。

(1)磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模型直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)需采用兩相靜止坐標(αβ坐標)計算定子磁鏈[14],定子磁鏈在α、β軸上的分量計算方法為

(1)

其中:ψsα、ψsβ為定子磁鏈在(α、β)的分量;usα、usβ為定子電壓在(α、β)的分量;isα、isβ為定子電流在(α、β)的分量;Rs為定子側(cè)電阻。由式(1)可知定子磁鏈的計算只與定子側(cè)電壓、電流及其電阻有關(guān) 。

在靜止兩相坐標系中電磁轉(zhuǎn)矩表達式為

(2)

其中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Pn為極對數(shù)。

磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模型在Matlab中的編程框圖如圖5所示。

圖5　磁鏈和轉(zhuǎn)矩的模型Fig.5　Models of flux linkage and torque

(2)Clarke模塊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)需要靜止坐標變換,所以需要將DSP F2812 ADC模塊引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換得到模擬量的電壓電流,然后經(jīng)過Clarke變換為αβ坐標下的值,用于后面定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的計算,數(shù)據(jù)的采集以及轉(zhuǎn)換如圖6所示。

C281x ADC的配置如下:模塊選擇為A,轉(zhuǎn)換方式為Sequential,轉(zhuǎn)換開始為EVA,采樣時間為-1,數(shù)據(jù)類型為int16,勾選轉(zhuǎn)換后傳遞中斷,轉(zhuǎn)換通道為三個,選擇多通道輸出。

(3)脈沖產(chǎn)生模塊利用DSP2812的EVA事件管理器單元來實現(xiàn)PWM波形輸出,由SF、ST、SS和Te*聯(lián)合產(chǎn)生三個數(shù)放入三個不同的比較寄存器(PWM1、PWM3、PWM5比較寄存器)中,如圖7所示。然后與設(shè)置好的T1PR(定時周期寄存器)中的值進行比較來產(chǎn)生PWM波。

圖6　電壓電流的Clarke變換Fig.6　Clarke transformation of voltage and current

圖7　脈沖產(chǎn)生模塊Fig.7　Pulse generation module

C281x PWM模塊是Matlab C28x DSP Chip Support Library中的模型,用來產(chǎn)生PWM波形,具體配置如下:波形周期源選擇specify via dialog,這樣可以人為設(shè)定周期值;波形類型選擇symmetric (up-down),這樣可以輸出對稱的PWM;時鐘頻率選取為75 MHz,Timer prescaler選為1/128;使其能輸出PWM1~PWM6,其中PWM1、PWM3、PWM5為低有效,PWM2、PWM4、PWM6為高有效;設(shè)計PWM1/PWM2、PWM3/PWM4、PWM5/PWM6的死區(qū)時間,配置死區(qū)定時器預定標因子和死區(qū)定時器周期,這樣能夠避免上下兩個管子同時導通。

3.3速度檢測模塊

利用正交編碼脈沖模塊QEP來測量轉(zhuǎn)速,進行脈沖計數(shù),速度檢測模塊如圖8所示。

將變換后的速度通過To Memory將采集的電機轉(zhuǎn)速寫進地址為8000的寄存器中,通過圖4中的From Memory讀取實際的速度來達到速度的閉環(huán)控制。其中,QEP的配置為:模式選擇為A,計數(shù)模式為Counter,初始計數(shù)為0,定時器周期為65 535,采樣時間為0.01 s,數(shù)據(jù)類型為int16。

圖8　速度檢測模塊Fig.8　Speed detection module

3.4自動代碼生成

當完成算法模塊的設(shè)計后,為聯(lián)系CCS 開發(fā)環(huán)境,自動生成可靠的代碼,在模型窗口對 Configuration Parameters進行配置,設(shè)置Solver的類型為 Fix-step和Discrete ,將 Real-Time Workshop中的System target file 改為 ccslink_ert.tlc,設(shè)置Embedded IDE Link 中的Build action為Build-and-execute ,點擊模型窗口Build Model,就可以在 CCS 環(huán)境中自動完成代碼生成、編譯、連接并下載到目標開發(fā)板。

4實驗結(jié)果

將設(shè)計好的模型算法下載到DSP中,用來控制異步電機,其主要參數(shù)為:額定功率PN=100 W,額定電壓UN=220 V,額定電流IN=0.48 A,額定轉(zhuǎn)速nN=1 420 r/min,定子電阻Rs=50 Ω,給電機設(shè)定轉(zhuǎn)速,然后對電機起動、制動和抗負載擾動進行觀察。圖9為電機的起動、制動波形,圖10為電機的抗干擾性能的波形圖,圖11為定子的磁通軌跡。圖9和圖10中的虛線為給定轉(zhuǎn)速波形,實線為電機實際運行波形。

由圖9可見,電機擁有良好的起動制動性能,在起動階段電機快速升到給定轉(zhuǎn)速,在制動階段電機緩慢減速至零。由圖10可見當突加或突減負載時,轉(zhuǎn)速的波動性很小,表明系統(tǒng)的抗干擾能力很強,魯棒性很好。由圖11中的定子磁通軌跡可見,磁通軌跡近似為圓形,且在容差范圍內(nèi)波動,表明實際定子磁通的幅值近似等于給定磁通的幅值,且在給定的允許誤差范圍內(nèi)。由以上實驗數(shù)據(jù)可知,電機在這種控制方法下運行狀況良好,從而也證明了基于模型編程這種方法的可行性和正確性。

圖9　電機的起動和制動Fig.9　Startup and brake of motor

圖10　電機的抗干擾性能Fig.10　Anti-disturbance performance of motor

圖11　定子磁通軌跡Fig.11　Magnetic flux trail of stator

5結(jié)論

在異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中采用模型化設(shè)計算法,通過在Matlab/ Simulink中搭建算法模塊,然后通過RTW將其自動轉(zhuǎn)換為代碼下載到DSP中。實驗結(jié)果表明這種方法在控制電機時有非常好的效果。設(shè)計過程表明該方法簡單、高效,避免了C語言編程的復雜性和對寄存器配置的難題,這樣能夠讓設(shè)計者有更多的時間專心研究和優(yōu)化算法,同時也能降低開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期。對以后復雜算法的驗證提供了良好的平臺,在電力電子和運動控制領(lǐng)域有良好的應用前景。

參考文獻:

[1]顧衛(wèi)鋼.手把手教你學DSP:基于TMS320 X281X[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[2]郭丹,劉杰.基于模型設(shè)計與傳統(tǒng)方式的聯(lián)合設(shè)計開發(fā)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2012,12(9):16-19.

[3]劉杰,周宇博.基于模型的設(shè)計:MSP430 /F28027/F28335 DSP篇[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.

[4]Duma R,Dobra P,Abrudean M,etal.Rapid Prototyping of Control Systems Using Embedded Target for TI C2000DSP[C]//2007 Mediterranean Conference on Control and Automation,2007,7:27-29.

[5]王煥文.基于DSP的數(shù)字式逆變控制器仿真系統(tǒng)研究[J].華中科技大學學報:自然科學學報,2005,33(2):103-105.

[6]張衛(wèi)豐,余岳輝.基于 RTW 的SVPWM DSP 控制系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學報,2007,22(3):102-106.

[7]Zhang W F,Zhang Y H,Wang R C,etal.A Model-based DSP Control Platform for Rapid Prototype of SVPWM[C]//2010 IEEE 10th International Conference on Signal Processing (ICSP),2010:2 523-2 526.

[8]李博,胡繼勝.基于三相逆變 SPWM 調(diào)制的 DSP 自動代碼生成[J].儀器儀表用戶,2008,15(2):103-104.

[9]韋寶泉,胡文華.單相橋式逆變器SPWM 目標代碼自動生成研究[J].電力電子技術(shù),2009,43(11):76-78.

[10]盧小錦.基于Matlab的永磁同步電機DSP控制系統(tǒng)開發(fā)[J].信息科技,2011,36(5):194-180.

[11]李新宇,馬明智,廖顏沛.異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究[J].電力科學與工程,2013,29(7):27-32.

[12]Yuan S Q,Zhang S S.Inverted Pendulum Teaching Experiment Platform Based on MATLAB-DSP[C]//International Conference on Education Technology and Information System,2013:768-771.

[13]李莉,孫啟國,孔貴芹.基于模型參考自適應辨識的直接轉(zhuǎn)矩控制研究[J].甘肅科學學報,2006,18(1):103-106.

[14]阮毅,陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

Direct Torque Control of Asynchronous Motor of DSP Based on Model

Pang Haiping,Zhang Zhenzhen

(CollegeofAutomationandElectronicEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266042,China)

AbstractOne programming method based on model was researched in allusion to that traditional DSP had defects,such as complicated programming of code,complicated modification of program,low efficiency,etc.,generated codes automatically by using Real-Time Workshop and downloaded them to the DSP after building up the algorithm by combining Embedded Target for TI C2000 DSP module in Simulink,with advantages,such as simple programming,easy modification to algorithm,high efficiency,etc.The motor in the experiment could run stably and had excellent starting and braking performances when the method was applied to the design of direct torque control DTC system of the asynchronous motor by taking TMS320F2812DSP as the controller,and during the application,the feasibility and high efficiency of the method were verified.

Key wordsDTC;TMS320F2812 DSP;Modularization programming;Asynchronous motor

中圖分類號:TP311.1

文獻標志碼:A

文章編號:1004-0366(2016)01-0045-06

作者簡介:逄海萍(1964-),女,山東青島人,博士,教授,研究方向為伺服電機的驅(qū)動與控制、現(xiàn)代交流調(diào)速.E-mail:panghp123@163.com.

基金項目:國家自然科學基金(60940018,61104004);山東省自然科學基金(ZR2011FQ006).

收稿日期:2015-03-19;修回日期:2015-05-23.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.011.

引用格式:Pang Haiping,Zhang Zhenzhen.Direct Torque Control of Asynchronous Motor of DSP Based on Model[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):45-50.[逄海萍,張真真.DSP基于模型的異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制[J].甘肅科學學報,2016,28(1):45-50.]