基于DSP芯片TMS320F240實現(xiàn)異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用方案

　　隨著電力電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，高性能的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。而高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，都離不開數(shù)字信號處理器。以往的數(shù)字信號處理速度很快，但控制功能較差。新型的F24X/C24X系列DSP是TI公司專門為三相交流調(diào)速開發(fā)的數(shù)字馬達調(diào)速控制器，它既具有通用DSP的快速性，又兼有三相交流調(diào)速的控制功能。本文根據(jù)異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制原理，開發(fā)出了基于TMS320F240DSP的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，采用TMS320F240DSP的控制系統(tǒng)，具有硬件電路簡單、性能優(yōu)良的特點。

　　1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理利用空間矢量分析法，采用定子磁場定向，將定子電流、電壓進行3/2變換，從而直接在靜止α-β坐標系下計算交流電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，再分別與給定轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行比較，根據(jù)比較結(jié)果查找 開關(guān)表格產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制。基本框圖如圖1所示。

　　由3相/2相坐標變換可以得到如下的定子電壓和電流空間矢量表達式：

　　根據(jù)u-i模型，定子磁通的表示式為：

　　φs=∫（us-Rsis）dt（3）

　　而電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

　　T=np（φsαisβ-φsβisα）（4）

　　得到定子磁通和電磁轉(zhuǎn)矩后，再與給定值進行較，根據(jù)比較結(jié)果和矢量角度θ確定合適的開關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生PWM逆變信號，控制主回路逆變器的工作狀態(tài)，從而實時地控制電機的轉(zhuǎn)矩。

　　2硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　本交流調(diào)速控制系統(tǒng)以TMS320F240DSP為 ，由整流器、電壓型主回路和控制回路組成。整個系統(tǒng)按功率電路板、DPS控制板、15V開關(guān)電源等進行模塊化設(shè)計。

　　2.1功率電路

　　功率電路由EMS、不可控整流模塊和IGBT逆變模塊IPM構(gòu)成，

　　同時具有過流、過壓等保護功能。通過電抗線圈，EMS消除來自電網(wǎng)的電磁干擾，提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力。驅(qū)動電路選用日本三菱公司的智能IGBT逆變模塊IPM（PM10RSH120），不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還具有過流、過壓、欠壓、溫度等保護電路，不但可以保護IPM模塊，而且也簡化了片外的驅(qū)動電路，減少了系統(tǒng)的故障率。IPM的故障輸出信號FO通過光電耦合器接到DSP的PDPINT端口，在IPM發(fā)生故障時，DSP能及時把所有事件管理器輸出腳都置成高阻狀態(tài)，禁止PWM信號輸出，對系統(tǒng)進行保護。驅(qū)動回路選用惠普HCPL4504作PWM驅(qū)動電路，并進行隔離，以免強電串入DSP控制回路。圖2給出一路驅(qū)動回路。

　　逆變器要求同一橋臂上下開關(guān)管始終有一個導(dǎo)通，另一個截止，而且必須互鎖。因此PWM信號必須有一定時間的死區(qū)，否則將會造成同一橋臂上下開關(guān)管同時導(dǎo)通，導(dǎo)致IGBT模塊燒壞。TMS320F240內(nèi)集成死區(qū)調(diào)節(jié)電路，死區(qū)時間可在0～102μs內(nèi)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)死區(qū)時間由軟件來設(shè)定，本系統(tǒng)取死區(qū)時間為4.5μs。

　　兩相定子電流的檢測采用兩個磁平衡式霍爾電流傳感器來完成，直接安裝在功率板上，通過連接頭將檢測的信號送到TMS320F240控制板，利用片內(nèi)ADC，獲得實時的定子電流信號。

　　2.2DSP控制板

　　DPS控制由TMS320F240DSP、仿真調(diào)試接口JTAG、128KWords外部SRAM、10M晶振、硬件復(fù)位回路等構(gòu)成，其 為TMS320F240DSP芯片，它是美國TI公司專門為三相交流調(diào)速而開發(fā)的數(shù)字馬達調(diào)速控制器。TMS320F240強大的處理能力使面向電機控制的控制算法如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制可以快速地實現(xiàn)。DSP控制板主要完成算法處理、PWM輸出、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、與上位機通信及顯示等任務(wù)。為了完成上述任務(wù)，本系統(tǒng)在DSP 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了擴展，16通道10位ADC接口用來接電流等反饋信號;RS232串口用于與上位機通信，顯示數(shù)據(jù)、波形;16V8GAL用于組合控制信號。另外，還添加了LCD顯示電路、鍵盤輸入電路、3個34針外圍接口（與功率板、傳感器、鍵盤等相連接）以及電路模塊。

　　2.3開關(guān)電源模塊

　　IPM對驅(qū)動電源要求較高，上橋臂的每個IGBT單元都需要單獨的隔離的15伏電壓供電，以增強抗干擾能力，降低電源噪音;下橋臂所有單元由一個公用的15V電源供電。因此電源模塊包括4個彼此隔離的15V電源，為IPM模塊的驅(qū)動電路提供能源。開關(guān)電源的 是單片三端開關(guān)電源芯片TOP227，它將PWM控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中，內(nèi)含PWM、功率開關(guān)場效應(yīng)管、自偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　整個系統(tǒng)的軟件采用C2000DPS匯編語言編寫。TMS320F240通過事件管理器啟動ADC，獲得電流、電壓信號，實現(xiàn)對磁通、轉(zhuǎn)矩的控制。整個軟件包括三個部分：初始化、故障診斷、GPTIMER1中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)的軟件模塊流程圖如圖3所示。其中，初始化模塊主要完成電機參數(shù)的給定、變量賦初值、定時器時間的設(shè)定、定時器服務(wù)子程序地址的設(shè)定等。初始化流程圖如圖4所示。

　　中斷服務(wù)程序是軟件設(shè)計的 ，它完成幾乎所有的控制算法，如ADC檢測、3/2變換、磁通和轉(zhuǎn)矩的計算、角度θ的獲得、電壓矢量選擇、作用時間和死區(qū)時間的計算與設(shè)定、PWM的發(fā)生等，這個過程在一個采樣周期（50μs）內(nèi)完成。中斷服務(wù)子程序流程圖如圖5所示。

　　PWM信號的產(chǎn)生是由時間管理器通過對特殊寄存器進行配置完成的，對稱PWM寄存器配置代碼如下：

　　SPLK#2840H，T1CON;up/downcounTIn50nssteps

　　SPLK#PWM_PERIOD，T1PR;PWMcarrierfrequency

　　;fpwm=50ns*2*

　　PWM_PERIOD

　　SPLK#1207H，COMCON;CMPRx，T1PRreloadatTimer1

　　;ACTRreloadatTimer1=0

　　;enablePWM1-6outputs

　　SPLK#0207H，COMCON;SYMMETRICALPWM

　　SPLK#0666H，ACTR;PWM1，3，5activehigh

　　;PWM2，4，6activelow

　　SPLK#32E0H，DBTCON;deadband=2.5μs*/

　　SPLK#8000，COMCON;enablecompareunit*/

　　4實驗結(jié)果

　　上述直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實驗采用4極異步電動機：2.2kW;380V;2.5A;1500r/min。直流發(fā)電機作為異步電動機的負載。圖6給出了轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)曲線和定子磁鏈波形。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具較好的性能。

　　基于TMS320F240的高性能直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，充分利用了TMS320F240的高速計算功能和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，使交流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。實驗結(jié)果表明，本文提出的系統(tǒng)控制 高，動態(tài)響應(yīng)快，是一種高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)。