高性能DSP在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應用

1引言

隨著電力電子技術、微電子技術、控制理論的高速發(fā)展，交流調(diào)速技術得到了長足的發(fā)展，在高性能的交流調(diào)速領域內(nèi)出現(xiàn)了矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）兩種控制思想。其中DTC技術摒棄了VC中的需要解耦的控制思想，它具有簡單的控制結(jié)構(gòu)、良好的動靜態(tài)性能和快速的響應速度等特點，它一誕生就得到了廣泛關注，目前已成為研究的熱點問題。本文將介紹基于TMS320F2812 DSP芯片的交流感應電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。

2直接轉(zhuǎn)矩控制原理結(jié)構(gòu)

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基本原理圖如圖1所示。

圖1直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理圖

在圖1中，逆變器有三個橋臂，每個橋臂上存在互鎖的兩個開關Si、（i＝1，2，3），通過控制Si的開關狀態(tài)如圖1（a）所示，可以得到8個電壓空間矢量Us（加到電動機定子繞組上），其中6個為工作電壓空間矢量，它們等幅且兩兩相隔60°，連接這6個電壓空間矢量的頂點可構(gòu)成一個正六邊形，另外的兩個為零矢量，位于六邊形的中心，如圖1（b）所示。通過正確的開關的通斷，可順序形成不斷旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量，從而在異步電動機氣隙形成旋轉(zhuǎn)的磁鏈，而通過零矢量的恰當選擇可以控制磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度。定子磁鏈Ψμ、轉(zhuǎn)子磁鏈Ψγ以及轉(zhuǎn)矩之間Td存在關系：，θ為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即磁通角，Lσ為轉(zhuǎn)子漏感。在實際的運行中，為充分利用電動機鐵心，保持定子磁鏈幅值為額定值，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負載的大小決定，要改變電動機轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變磁通角θ的大小來實現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量Us來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)，控制定子磁鏈的走走停停，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變磁通角θ的大小，以達到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的[1>.

3高性能DSP TMS320F2812芯片

在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，DSP芯片是控制器的核心，所有復雜的控制算法和控制策略都通過它來實現(xiàn)。TMS320F2812是Texas公司C28TM系列中最新成員，其高速的運算能力、強大的實時處理能力和高度集成化的設計結(jié)構(gòu)，使得它在控制領域內(nèi)得到了人們的青睞。下面介紹TMS320F2812主要特點，其結(jié)構(gòu)框圖[2>如圖2所示。

圖2 TMS320F2812功能圖

TMS320F2812的CPU是基于C28xTM的32位定點內(nèi)核，主頻達150MHz.TMS320F2812芯片具有高度集成的結(jié)構(gòu)，在片內(nèi)集成大量的外設（如圖2所示），這些外設包括：事件管理器EVA/EVB、16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、看門狗定時器Watchdog、通用輸入輸出引腳GPIO、多通道緩沖串行外設McBSP、改進CAN總線接口、雙通道串行通信接口SCIA/SCIB、串行外設接口SPI等。與C28xTM DSP以前的芯片相比，TMS320F2812有自己的特點：（1）它是C2000系列中第一代32位的定點DSP芯片（C24xTM為16位DSP芯片）；（2）芯片內(nèi)部有3個32位定時器；（3）具有12位的ADC（以前的為10位）和雙通道SCIA/SCIB；（4）有多通道緩沖串行外設McBSP；（5）采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)和八級流水線作業(yè)；（6）存儲空間大大擴展，其片內(nèi)存儲器資源包括：128K字×16位的Flash存儲器、128K字×16位的ROM、1K字×16位的OPT ROM、一塊1K字×16的SARAM、L0和L1上各有8K字×16位的SARAM、M0和M1上各8K字×16的SARAM；（7）可以執(zhí)行32×32位的二進制補碼乘法操作，并產(chǎn)生64位的結(jié)果；（8）它是C2000系列性能最高的芯片，處理速度達150MIPS，實時處理能力強，能應用于很多復雜的控制算法如無速度傳感器的定向控制、運動輪廓的識別和功率因數(shù)的校正等，并且其代碼與以前各個型號的DSP兼容，它也是目前處理C/C++代碼效率最高的DSP芯片（就C2000系列而言）。由于這些特點，TMS320F2812DSP有著廣泛的應用空間。

4基于TMS320F2812的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

由于DSP的優(yōu)越性能，它可被用于數(shù)字化控制中，現(xiàn)介紹一個基于TMS320F2812 DSP的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其方框圖[3>如圖3所示。

圖3基于DSP的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖

4.1系統(tǒng)組成及其控制原理

系統(tǒng)主要由交流電源、整流濾波電路、逆變模塊IPM、交流異步電動機M、TMS320F2812DSP芯片、電壓電流檢測電路、PWM脈沖及光耦電路、光電編碼器、鍵盤顯示及上位機組成。

DSP接收到PC上位機發(fā)出的輸入信號后，將其轉(zhuǎn)換為PWM輸出，經(jīng)過PWM脈沖電路驅(qū)動放大后送給逆變器，逆變器的輸出信號接到三相異步電機的定子繞組。從DSP輸出的PWM脈沖可以控制逆變IPM模塊電路的開關狀態(tài)，而逆變器開關狀態(tài)的改變，可在電機定子上形成旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量。通過工作電壓空間矢量和零矢量的交替選擇，可以控制定子磁鏈的走走停停，這樣磁通角（定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角）的大小也相應地隨之改變，從而達到直接控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。光電編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)角，其輸出信號反饋回DSP的正交編碼脈沖電路（QEP），形成閉環(huán)控制，實時有效地控制電動機。

4.2系統(tǒng)核心—TMS320F2812 DSP控制器

整個系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，所有復雜的控制算法及控制策略都是通過TMS320F2812控制器來實現(xiàn)的。從圖3知，該系統(tǒng)涉及到DSP的大部分集成外設，如：事件管理器EV、串行通訊接口SCI、串行外設接口SPI、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、PWM發(fā)生模塊以及JTAG仿真接口等。下面簡單介紹各模塊的功能。

（1）事件管理器EV

它是一個專門為控制系統(tǒng)（運動控制和電機控制）設計的模塊，包括通用定時器（GP）、全比較單元、捕獲單元和正交編碼脈沖電路（QEP）等四個基本單元。在該系統(tǒng)中，利用正交編碼脈沖電路（QEP）對引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（EVB）上的正交編碼脈沖進行解碼和計數(shù)，直接處理光電編碼盤的正交編碼脈沖，通過檢測2路信號的相位關系可以判斷電機的位置和速度信息。此外，事件管理器內(nèi)部有PWM發(fā)生電路，可產(chǎn)生PWM波形，用于控制逆變器開關的通斷時間。

（2）串行通訊接口SCI

TMS320F2812設有雙通道異步串行外設通信口（包括SCIA和SCIB，24x系列中只有一個SCI），在該系統(tǒng)中它與RS-232或者RS-485等標準接口相接，用于DSP的CPU與PC上位機之間的數(shù)字通信。支持半雙工、全雙工等通信模式。

（3）串行外設接口SPI

SPI是一個高速同步串行I/O口，在該系統(tǒng)中SPI連接DSP控制器和顯示器，用于DSP和外部外設之間的數(shù)據(jù)通信。典型應用還包括作為外部I/O或用于對外設（ADC、顯示驅(qū)動器等）進行擴展。

（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC

ADC模塊是一個帶采樣/保持電路的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有自動排序能力，一次最多可執(zhí)行16個通道的自動轉(zhuǎn)換。它的轉(zhuǎn)換速度很快，在25MHz的ADC時鐘時，執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換操作時間為80ns[4>，比F2407快得多。該系統(tǒng)采用一個電壓傳感器和兩個電流傳感器，通過檢測逆變器前端的母線電壓Udc，經(jīng)ADC采樣后可根據(jù)當前的開關狀態(tài)計算逆變器輸出電壓的usα和usβ分量；同時，電機的兩相電流由電流傳感器檢測后也經(jīng)ADC模塊采樣，再經(jīng)過3/2變換，可求出電流分量isα和isβ，最后根據(jù)有關公式可算出磁鏈和轉(zhuǎn)矩的大小。

（5）JTAG仿真接口

用于系統(tǒng)的在線仿真和測試。

4.3逆變模塊IPM

為了提高逆變電路的可靠性，系統(tǒng)采用日本三菱的IPM智能模塊，型號為PM25RSB120，其內(nèi)部有7只IGBT，除用于三相橋臂外，另外一只可做泵升電壓的旁路開關。IPM不僅將功率器件IGBT和驅(qū)動電路集成在一起，而且對過流、過壓、過熱以及控制電壓欠壓等故障具有自動保護的功能，是一種故障率低、又可使裝置小型化和輕量化的功率器件，還可以大大降低輸出電壓低次諧波的含量。當檢測信號之一不正常時，DSP迅速將PWM輸出端設為高阻，封鎖脈沖輸出，從而進行有效保護。

為避免DSP工作不正常時IPM的上下橋臂“直通”現(xiàn)象，在每對PWM信號先加互鎖電路，然后到隔離驅(qū)動和電平轉(zhuǎn)換再送IPM的控制端，如圖4所示[5>.

圖4 IPM門極互鎖驅(qū)動電路

IPM采用四組獨立的15V驅(qū)動電源供電，光耦用快速6N137，以保證隔離信號響應快，輸出信號好。系統(tǒng)中的其它模塊在此不作介紹。

5結(jié)束語

基于TMS320F2812的高性能直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，充分利用TMS320F2812運算速度快、處理能力強、實時性好和高度集成等優(yōu)點，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠、控制精度高、動態(tài)響應快，是高效的交流調(diào)速控制系統(tǒng)。另外TMS320F2812具有體積小、功能全、可靠性高、成本低、可擴展性強等特點，可廣泛應用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集和控制等應用領域，同時它也為實現(xiàn)數(shù)字化控制提供了有效的途徑。