應用DSP的異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)

【摘　要】　介紹了TMS320F240數(shù)字信號處理單片機在直接轉矩控制系統(tǒng)中的應用，給出了控制系統(tǒng)的軟硬件關鍵設計。
    關鍵詞：直接轉矩控制，DSP，異步電機
　　
1　引　言
　　直接轉矩控制是一種高性能的交流調速技術，它直接在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學模型，控制電動機的轉矩和定子磁鏈，簡化了系統(tǒng)的結構。但是直接轉矩控制強調轉矩和定子磁鏈控制，對轉矩和定子磁鏈空間位置計算精度要求很高，因而系統(tǒng)構成比較復雜，要實現(xiàn)有效的直接轉矩控制，高性能的單片機是必不可少的。德州儀器的TMS320F240數(shù)字信號處理單片機專門針對電機控制系統(tǒng)設計，本文介紹它在直接轉矩控制中的應用。
2　直接轉矩控制系統(tǒng)簡介
    直接轉矩控制系統(tǒng)原理圖如圖1。

　　在圖1中，適當控制逆變器的開關Sa、Sb、Sc（包括Sa、Sb、Sc下橋臂非門）的狀態(tài)，就能夠得到八種空間矢量電壓，除兩種是0矢量外，另外六種矢量構成正六邊形的六條邊，在異步電機上得到旋轉的定子空間磁場，并且通過0電壓矢量調節(jié)定子磁場的平均旋轉速度。
　　為了得到圖1中的正六邊形軌跡磁場（用來替代三相交流電產生的圓形軌跡磁場），確定磁場的空間位置成為重要的工作環(huán)節(jié)。根據(jù)－isRs）dt可以求出定子磁場的大小，但為了減少電壓和電流傳感器的數(shù)量，通常只使用兩相傳感器，通過計算再得出另外一相電壓和電流。

3　控制系統(tǒng)的硬件組成
　　本系統(tǒng)以TI公司的TMS320F240數(shù)字信號處理單片機為核心，控制日本FUJI生產的IPM（智能功率模塊），從而把直流電壓轉換成交流矢量電壓，驅動異步電機運轉。其基本工作過程是：首先根據(jù)外部給定的轉速和轉矩要求，計算出定子磁場的幅值，然后建立定子磁場，最后施加工作電壓產生旋轉定子磁場。因此，我們按照圖2的硬件結構結合DSP單片機的特點設計系統(tǒng)。
　　由于TMS320F240本身帶有A／D轉換器，所以我們沒有必要再外加A／D轉換。同時，電機的轉速采用軟件計算獲得，因而沒有速度檢測環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)硬件最小化。
 

　　IPM智能功率模塊是集成功率開關元件，在系統(tǒng)中的位置舉足輕重。FUJI生產的6MBP50RA060型IPM采用低電平有效觸發(fā)，在使用過程中要注意4　DSP處理器擴展設計的說明
　　F240型號的微處理器專門針對電機控制而設計，片內集成有許多外設，我們可以利用的有：
　?。?）兩個十位的A／D轉換器，每個A／D轉換器可以轉換八路模擬量，因此，片內共有十六路A／D轉換通道，不需A／D轉換擴展。
　　（2）16k的閃存EEPROM，可以直接作為程序存儲器，不需要程序存儲器擴展。
　?。?）數(shù)字I／O接口，在適當寫入IOSR寄存器時，可以當作輸入輸出接口使用，在本系統(tǒng)中，由于直接從I／O接口輸出控制矢量，并且要求控制矢量能夠延續(xù)一個控制周期，所以我們對I／O接口外加了鎖存器。其電路圖見圖5。

　?。?）盡管F240內部有產生脈沖信號的PWM發(fā)生器，但是不便于在任意時刻產生任意方向的控制矢量，因而放棄使用。
　?。?）其它如定時器等，后文給出了軟件代碼。
5　控制系統(tǒng)的軟件設計
　　根據(jù)實際硬件設計和完成控制任務的需要，我們首先要求出IPM模塊的開關頻率和定時器的定時長度。IPM模塊的工作頻率為100kHz，所以定時器的中斷間隔應為10μs。根據(jù)定時器中斷頻率計算公式：

　　可以計算出PRD和TDDR的值，他們分別對PSC和TIM進行加載。式中TINT指定時器中斷，PRD指定時器周期寄存器，TDDR指定時器清除寄存器，PSC指定時器前置分頻計數(shù)器，tc（co）為時鐘周期。
　　圖6給出了系統(tǒng)軟件流程圖，下面給出定時器（timer）使用的源程序代碼：
    clrc CNF；把B0映射為數(shù)據(jù)存儲塊
    ldp＃0h；DP＝0
　　setc INTM；關閉所有中斷
     splk＃0000h，60h；
　　out 60h，wsgr；設置為0
　　周期等待
  
 
6　結束語
　　近年來，交流調速發(fā)展迅猛，大有取代直流調速之勢。交流調速的控制理論日趨完善，高性能的單片機又為這些理論的實踐提供了硬件保障。本系統(tǒng)采用直接轉矩控制策略，盡量減少硬件投入，不僅大大節(jié)省了硬件成本，而且可靠性高，調速性能良好。