摘 要: 針對某裝備中三相交流異步電機調速的要求， 以TMS320LF2407A 和AT89S52 為核心采用磁場定向控制策略設計了一電流、轉速雙閉環調速控制系統， 給出了硬件原理框圖、關鍵器件、設計思想和程序流程圖。實驗結果表明， 該控制系統具有動態響應快， 控制精度高， 實時顯示， 數據存儲， 抗干擾強等優點。

0  引 言

    三相交流異步電機以其結構簡單， 體積小， 重量輕，價格低， 維修方便等優點， 廣泛應用于武器裝備、給料系統、數控機床、柔性制造技術、各種自動化設備等領域，其轉速控制系統性能的優劣直接決定了設備性能的發揮。隨著高性能微處理器及新型電力電子器件的出現，使得應用全控型電力電子器件和空間矢量( SVPWM)控制技術進行變頻調速的方式已成為交流電機調速控制的主流。

    相對于其他微處理器， DSP 具有運算速度快， 可以自己產生有死區時間的PWM 輸出， 可以實現諸如模糊控制等復雜的算法， 外圍硬件少等優點， 因而廣泛用于電機的數字控制。本文以TMS320LF2407A DSP 芯片和AT89S52 單片機為核心， 設計了針對三相交流異步電機的全數字調速控制系統。實驗結果表明， 該系統具有實時顯示， 數據存儲， 動態響應快， 控制精度高， 抗干擾性強等優點。

1  TMS320LF2407A簡介

    TMS320LF2407A 主要包括算術邏輯運算單元( CALU) 、寄存器集、輔助算術邏輯單元( ARAU) 、乘法器、乘法移位器、累加器、加法移位器、時鐘鎖相環電路、兩個完全等同的事件管理器A， B( 包括通用定時器、比較單元、捕獲/ 正交編碼器脈沖電路) 、內部A/ D 轉換器、雙串口、看門狗、CAN 總線電路單元等。

TMS320LF2407A 采用先進的哈佛結構， 流水線作業， 在30 MHz 內部時鐘頻率下， 指令周期僅為33 ns。

    其內部存儲器包含2 類RAM 塊。一類為DRAM， 另一類為SRAM。對DRAM 而言又劃分為3 個RAM塊， 即B0， B1， B2， 容量依次為256 字， 256 字， 32 字。這些RAM 全部允許在一個指令周期內訪問兩次， 因此在數據處理能力上有顯著的增加。同時， B0 塊還可以通過程序動態地配置為數據存儲器區或程序存儲器區。

    若配置為程序區可在上電時把浮點算法子程序或者數據表從外部慢速EPROM 裝入此區域， 從而緩解高速處理器與慢速外設之間的矛盾， 這對提高控制系統的動態性能有很大幫助。TMS320LF2407A 內部含有內嵌采樣保持的10 位精度、高速A/ D 轉換器， 轉換時間最短為500 ns ( 采樣保持+ 轉換時間) 。除此之外TMS320LF2407A 還有豐富的、功能強大的中斷系統以及常用的I/ O 接口， 這些都使設計調速控制系統時的硬件電路得到簡化。

2  系統硬件設計

基于T MS320LF2407A 三相交流異步電機雙閉環調速控制系統硬件框圖如圖1 所示。

系統硬件框圖

圖1  系統硬件框圖。

系統主電路采用交直交電壓型變頻器， 功率器件采用智能功率模塊IPM。該模塊包含了6 個IGBT 和6 個與IGBT 反并聯的續流二極管。控制電路部分由AT 89S52 單片機控制單元、TMS320LF2407A 控制器單元、電流檢測電路、電壓檢測電路、轉速檢測電路、過流保護電路、液晶顯示電路和鍵盤輸入接口電路等模塊組成。

2. 1  AT89S52 單片機控制單元：

AT89S52 控制單元主要完成以下功能:

一是通過鍵盤輸入接口完成對給定轉速的設定； 二是通過液晶顯示單元完成對給定轉速、電機啟動時轉速和達到穩態時轉速的顯示；三是完成對雙口RAM 中存儲數據的讀取，并將讀取的數據通過USB 接口電路導入上位機或通過D/ A 輸出電路輸入到模擬設備。

其中， 液晶顯示單元采用中文圖形兩用型液晶顯示模塊OCMJ4X8B2； 鍵盤輸入采用矩陣式按鍵鍵盤可以通過單片機調用預設的漢字， 可以輸入數字( 用來設置轉速) ； 雙口模塊用來存儲TMS320LF2407A 采集的變量波形數據。
 
2. 2  TMS320LF2407A 控制單元

TMS320LF2407A 控制單元的電路原理圖如圖2所示。該控制單元電路主要包括光耦隔離電路、轉速檢測電路、電流檢測電路和電壓檢測電路， 分別完成對IPM 的驅動、轉速檢測與控制、過流保護、過壓和欠壓保護等功能。

TMS320LF2407A 控制單元電路原理圖

圖2  TMS320LF2407A 控制單元電路原理圖。

    光耦隔離電路由6 片東芝公司的TLP127 及相應的限流電阻組成， 主要完成TMS320LF2407A 與IPM 智能功率模塊的電氣隔離， 并將輸出的PWM 信號放大。

    轉速檢測電路采用歐姆龍1024 原旋轉型線編碼器E6B2CWZ6C， 編碼器輸出的脈沖經過TMS320LF2407A內部4 倍頻后可以實現每轉4 096 個脈沖， 從而保證了轉速的精度。根據采樣得到的數據與給定數據比較， 調整DSP 輸出驅動脈沖的寬度， 從而調節交流電機的轉速。

     電流采樣電路采用3 片霍爾電流傳感器CN61M/TBC25C04， 一路將檢測到的直流母線上瞬時電流值送入過流保護電路， 當其值大于過電流值時， 相應過流保護電路動作產生保護信號， 關斷PWM 信號的輸出； 另外兩路檢測流過電動機的電流， 通過變換改變DSP 輸出的驅動脈沖， 進而保持電機的轉速不變。在本文設計的控制系統中， TMS320LF2407A 采用了ADCIN00，ADCIN01和ADCIN02 三路通道， 以采集電機A 相、B 相和直流母線的電流，直流母線的采樣電壓通過ADCIN03 通道輸入DSP， 根據采樣得到的數據， 在電壓超過設定的上、下限值時， DSP 關斷PWM 脈沖的輸出， 從而實現過壓和欠壓保護功能。

3  系統軟件設計

3. 1  閉環調速控制的原理

    本文設計的雙閉環調速控制系統的原理框圖如圖3所示。

   其中， 給定速度由鍵盤輸入接口電路輸入AT 89S52單片機控制系統， 速度PI 調節、電流PI 調節、磁場位置角和轉速反饋量的計算由TMS320LF2407A 計算實現。

    測得的電機轉速通過AT 89S52 控制系統輸出到液晶顯示單元上實時顯示。

雙閉環調速控制系統框圖

圖3  雙閉環調速控制系統框圖。

假設電機定轉子三相繞組完全對稱； 定轉子表面光滑， 無齒槽效應， 定轉子每相氣隙磁動勢在空間呈正弦分布； 磁飽和、渦流及鐵心損耗均忽略不計， 則三相交流異步電動機的轉矩方程如下:


式中: L r ， L m 分別為轉子自感和互感； p 是微分算子； i sq是定子電流在q 軸上的分量； rd 是轉子磁鏈在d 軸上的分量。

從式( 1) 可以看出， 異步電機的轉矩與定子電流矢量和轉子磁場以及夾角有關。因此， 要想控制轉矩， 必須先檢測和控制磁通。當dq 坐標系在同步旋轉磁場上且靜止坐標系中的各交流量轉化為旋轉坐標系中對應的直流量時， 使d 軸和轉子磁場方向重合， 可得到磁場定向控制方程如下:


式中:為漏磁系數； r 為轉子時間常數。

   由式( 2) 可知， 檢測到定子電流的d 軸分量( 勵磁分量) 可觀測出轉子磁通幅值； 由式( 4) 可知， 當rd 恒定時， 只要控制定子電流的q 軸分量( 轉矩分量) ， 即可控制電磁轉矩。具體工作原理如下:

   通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流iA ，iB ， 經過DSP 的A/ D 轉換器轉換成數字量， 并利用iC = - ( i A + i B ) 計算出i C。電流i A ， iB ， i C 通過Clarke 變換和Park 變換得到了dq 坐標系下的勵磁反饋電流i sd和轉矩反饋電流isq ， 與給定的勵磁電流i sd ref 和轉矩電流i sqref 的差通過PI 調節后， 再經過Park 逆變換輸出!?

    坐標下的電壓， DSP 利用該電壓生成三相逆變器所需的六路驅動信號。實時測量的電機轉速信號一方面用于與給定速度比較產生i sqref ， 另一方面進入電流位置磁鏈轉換模型求出磁鏈的位置， 并用于Clar ke 和Park 逆變換。

3. 2  程序流程圖

   AT89S52 單片機控制系統上電后，首先通過鍵盤輸入接口輸入給定轉速， 單片機將給定轉速存儲在雙口RAM 中， 同時， 給定轉速通過單片機P0 口輸出到液晶顯示單元的驅動控制芯片SED1520，由SED1520 驅動OCMJ4X8B2 顯示轉速， 轉速的顯示范圍為0~ 9 999 r/ min， 然后通過鍵盤來確定是否要對相關變量采樣并存儲。該部分程序流程圖如圖4( a) 所示。

   其次給TMS320LF2407A DSP 控制系統上電， 運行初始化程序完成初始狀態的設定( 包括對相關變量采樣數據存儲等) ， DSP 控制系統對電機轉速和電樞電流采樣， 與給定值進行比較， 若達到設定轉速， 則循環運行， 當給定轉速改變時， 進入中斷處理子程序。主程序流程圖和中斷處理子程序流程圖分別如圖4( b) 和圖4 ( c)所示。

程序流程圖

圖4  程序流程圖。

4  實驗結果

   對電機的轉速、定子電流、磁通等變量進行采樣、保存， 并通過USB 接口電路轉移到上位機； 在上位機上得到的實驗波形如圖5 所示， 波形的數據采樣點為2 048。

   從圖5( a) 上可以看出， 電機在很短的時間內達到設定的轉速值1 000 r/ min。在啟動過程中， 定子電流由于PWM 控制， 產生一定的波動， 當轉速達到設定值后， 定子電流也很快趨于穩定， 動態響應很快； 從圖5( b) 上可以看出， 當轉速發生變化時， 定子電流的q 軸分量( 轉矩分量) 基本沒有變化， 電機的電磁轉矩也不會發生變化； 從圖5( c) 和( d) 可以看出， 當電機轉速發生變化時， 電機的磁場變化幅度可以忽略， 從而電機的轉速也不會發生變化， 即設計的控制系統對轉速的控制精度很高， 完全達到了設計要求。

實驗波形

圖5  實驗波形。

5  結 語

    本文采用以T MS320LF2407A 為PWM 控制核心， 以A T89S21 控制單元為電機轉速控制管理核心的三相交流異步電機雙閉環調速控制系統具有數據存儲、實時顯示等功能。實驗結果表明， 該控制系統具有動態響應快， 控制精度高等優點。實踐證明， 該系統還具有較好的抗干擾性。該系統對電機調速系統的設計和實現也具有較高的指導意義。