TMS320F2808實現(xiàn)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)

摘要：利用TI公司的數(shù)字信號處理芯片TMS320F2808強大的運算能力和快速實時處理能力，解決了矢量控制的復雜控制算法難以實現(xiàn)的問題，完成了矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件及軟件設計。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、動態(tài)特性，以及快速的故障處理功能。

　　關鍵詞：矢量控制;異步電機;TMS320F2808

　　引言

　　矢量控制(vector control)是在20世紀70年代出現(xiàn)的一種高性能的控制技術，其提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。

　　本文根據(jù)矢量控制的基本原理，采用TI公司具有強大運算能力和快速實時處理能力的數(shù)字處理芯片TMS320F2808作為控制芯片，設計了一個全數(shù)字化矢量控制硬件系統(tǒng)，并給出了保護電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路，以及部分程序流程。

　　1 矢量控制基本原理

　　矢量控制的基本理論是在三相交流電動機上模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，應用坐標變換Clarke變換把三相交流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為兩相交流系統(tǒng)，然后通過Park變換把兩相交流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的直流系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)子磁場定向坐標上，將定子電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁分量和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，并使兩分量互相垂直，實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦，達到對異步電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別控制的目的，從而獲得與直流電機調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的靜態(tài)、動態(tài)調(diào)速性能。其基本原理如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件電路設計

　　2.1 主回路

　　本系統(tǒng)采用主回路為電壓型的“交-直-交”變頻結(jié)構(gòu)，主要由整流電路、濾波電路以及逆變電路組成。為了使主回路結(jié)構(gòu)簡單并且便于器件的更換和維修，本設計采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設計方案。圖2為基于TMS320F2808的異步電機矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

　　本設計中采用了三菱公司的整流逆變制動模塊CP10TD1-24A。其特點是：采用LPT—CSTBTTM硅片技術和整流、逆變、制動、NTC溫度檢測一體化壓注模小型封裝，飽和壓降低，模塊熱阻小，內(nèi)置NTC溫度傳感器等。

　　2.2 控制回路

　　由于矢量控制系統(tǒng)的計算量較大，所以控制回路采用TI公司的DSP芯片TMS320F2808及其外圍電路，來實現(xiàn)矢量控制核心算法、相關電壓電流的檢測處理等功能。

　　2.2.1 供電電路

　　圖3為供電電路。為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長器件的使用壽命，本設計采用高性能穩(wěn)壓芯片、低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117，為TMS 320F2808提供可靠的供電電源。分別選用3.3 V和1.8 V的固定電壓輸出芯片為DSP供電，其輸出電流可達800 mA，輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)，并具有電流限制和熱保護功能。

　　2.2.2 JTAG仿真調(diào)試接口電路

　　為了便于調(diào)速系統(tǒng)與上位機相連接，實現(xiàn)仿真器對DSP的訪問并進行矢量控制調(diào)速程序的仿真與調(diào)試，JTAG仿真調(diào)試接口電路是變頻調(diào)速設計中必不可少的。具體電路圖如圖4所示。

　2.2.3 過、欠壓保護電路

　　為了提高系統(tǒng)的可靠性，更好地保護逆變器元件和異步電機，調(diào)速系統(tǒng)應設置一套準確的保護措施以防止各種故障的發(fā)生。本文采用直流母線電壓的過、欠壓保護電路，如圖5所示。當檢測出的直流母線電壓超過或低于預定電壓時就會關斷所有控制信號，從而起到保護的作用。其中，LM393為雙電壓比較器。

　　2.3 系統(tǒng)檢測電路

　　檢測電路是調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分。其作用是將檢測到的信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后變成DSP可識別信號，然后經(jīng)過一定的算法輸出各部分電路所需信號，以此來實現(xiàn)預定的功能并為系統(tǒng)和電動機提供必要的保護。因此，檢測到的信號是否合理準確，直接關系到整個系統(tǒng)的可靠性和控制精度的好壞。根據(jù)矢量控制系統(tǒng)需要，本文進行了定子電流檢測和電機轉(zhuǎn)速檢測。

　　2.3.1 定子電流檢測電路

　　在矢量控制系統(tǒng)中，定子電流的準確度和實時性是影響調(diào)速系統(tǒng)控制精度的一個重要因素。本文采用具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失測量電路的霍爾電流傳感器TBC-05SY進行了定子電流檢測。圖6為定子電流檢測電路。其中，LMC6464為低功耗、軌到軌輸入和輸出CMOS運算放大器。

　　 [!--empirenews.page--]2.3.2 電機轉(zhuǎn)速檢測電路

　　電機轉(zhuǎn)速檢測的精度也是影響調(diào)速系統(tǒng)控制精度和穩(wěn)定性的重要因素。為了擴大調(diào)速范圍，改善低速平穩(wěn)性，要求測速元件低速輸出穩(wěn)定、波紋小、線性度好。通常的測速元件不僅會影響應用電路，而且還會產(chǎn)生電磁干擾。本文采用了HEDSS公司具有低慣量、低噪聲、高分辨率的增量式光電編碼器HKT5617—301G1024BZ3/5E，進行電機的實際轉(zhuǎn)速檢測。該編碼器與TMS320F2808的接口電路如圖7所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷程序兩部分組成：主程序主要完成硬件和各種變量的初始化，并為各個寄存器設置初值;中斷程序包括PWM中斷程序、各種故障保護中斷程序等。相應流程如圖8所示。

　　4 實驗結(jié)果

　　本設計中進行了帶負載的實驗，在給定轉(zhuǎn)速為1400r/min的條件下添加不同的負載，測出電機實際運行下的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速給定值為1400 r/min時的實驗結(jié)果如表1所列。其中，TN為額定負載轉(zhuǎn)矩。

　　由表1可知，本設計的實驗結(jié)果在預估計的允許誤差范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。這表明本設計是可行的。

　　結(jié)語

　　本系統(tǒng)有很好的故障保護電路。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬、功耗低、抗干擾能力強、性能可靠等優(yōu)點。