應(yīng)用DSP的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

【摘　要】　介紹了TMS320F240數(shù)字信號(hào)處理單片機(jī)在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出了控制系統(tǒng)的軟硬件關(guān)鍵設(shè)計(jì)。
    關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制，DSP，異步電機(jī)
　　
1　引　言
　　直接轉(zhuǎn)矩控制是一種高性能的交流調(diào)速技術(shù)，它直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。但是直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈控制，對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈空間位置計(jì)算精度要求很高，因而系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)有效的直接轉(zhuǎn)矩控制，高性能的單片機(jī)是必不可少的。德州儀器的TMS320F240數(shù)字信號(hào)處理單片機(jī)專門針對電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文介紹它在直接轉(zhuǎn)矩控制中的應(yīng)用。
2　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡介
    直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖如圖1。

　　在圖1中，適當(dāng)控制逆變器的開關(guān)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(gòu)成正六邊形的六條邊，在異步電機(jī)上得到旋轉(zhuǎn)的定子空間磁場，并且通過0電壓矢量調(diào)節(jié)定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jì)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(hào)處理單片機(jī)為核心，控制日本FUJI生產(chǎn)的IPM（智能功率模塊），從而把直流電壓轉(zhuǎn)換成交流矢量電壓，驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。其基本工作過程是：首先根據(jù)外部給定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩要求，計(jì)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)定子磁場。因此，我們按照圖2的硬件結(jié)構(gòu)結(jié)合DSP單片機(jī)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
　　由于TMS320F240本身帶有A／D轉(zhuǎn)換器，所以我們沒有必要再外加A／D轉(zhuǎn)換。同時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速采用軟件計(jì)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(guān)元件，在系統(tǒng)中的位置舉足輕重。FUJI生產(chǎn)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(kuò)展設(shè)計(jì)的說明
　　F240型號(hào)的微處理器專門針對電機(jī)控制而設(shè)計(jì)，片內(nèi)集成有許多外設(shè)，我們可以利用的有：
　　（1）兩個(gè)十位的A／D轉(zhuǎn)換器，每個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換八路模擬量，因此，片內(nèi)共有十六路A／D轉(zhuǎn)換通道，不需A／D轉(zhuǎn)換擴(kuò)展。
　?。?）16k的閃存EEPROM，可以直接作為程序存儲(chǔ)器，不需要程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展。
　?。?）數(shù)字I／O接口，在適當(dāng)寫入IOSR寄存器時(shí)，可以當(dāng)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(gè)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(nèi)部有產(chǎn)生脈沖信號(hào)的PWM發(fā)生器，但是不便于在任意時(shí)刻產(chǎn)生任意方向的控制矢量，因而放棄使用。
　?。?）其它如定時(shí)器等，后文給出了軟件代碼。
5　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　　根據(jù)實(shí)際硬件設(shè)計(jì)和完成控制任務(wù)的需要，我們首先要求出IPM模塊的開關(guān)頻率和定時(shí)器的定時(shí)長度。IPM模塊的工作頻率為100kHz，所以定時(shí)器的中斷間隔應(yīng)為10μs。根據(jù)定時(shí)器中斷頻率計(jì)算公式：

　　可以計(jì)算出PRD和TDDR的值，他們分別對PSC和TIM進(jìn)行加載。式中TINT指定時(shí)器中斷，PRD指定時(shí)器周期寄存器，TDDR指定時(shí)器清除寄存器，PSC指定時(shí)器前置分頻計(jì)數(shù)器，tc（co）為時(shí)鐘周期。
　　圖6給出了系統(tǒng)軟件流程圖，下面給出定時(shí)器（timer）使用的源程序代碼：
    clrc CNF；把B0映射為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊
    ldp＃0h；DP＝0
　　setc INTM；關(guān)閉所有中斷
     splk＃0000h，60h；
　　out 60h，wsgr；設(shè)置為0
　　周期等待
  
 
6　結(jié)束語
　　近年來，交流調(diào)速發(fā)展迅猛，大有取代直流調(diào)速之勢。交流調(diào)速的控制理論日趨完善，高性能的單片機(jī)又為這些理論的實(shí)踐提供了硬件保障。本系統(tǒng)采用直接轉(zhuǎn)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(diào)速性能良好。