摘要：開發(fā)了一種基于TMS320F240 DSP實現(xiàn)電機交流調(diào)速的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的設計方案和軟硬件的實現(xiàn)方法。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的性能。

關鍵詞：數(shù)字信號處理器 直接轉(zhuǎn)矩控制 交流調(diào)速 異步電動機

隨著電力電子和計算機技術的發(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TMS320F240 DSP的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，采用TMS320F240 DSP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)果查找最優(yōu)開關表格產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行控制?；究驁D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)設計

本交流調(diào)速控制系統(tǒng)以TMS320F240 DSP為核心，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開關電源等進行模塊化設計。

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管始終有一個導通，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管同時導通，導致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。

2.2 DSP控制板

DPS控制由TMS320F240 DSP、仿真調(diào)試接口JTAG、128K Words外部SRAM、10M晶振、硬件復位回路等構(gòu)成，其核心為TMS320F240 DSP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。為了完成上述任務，本系統(tǒng)在DSP最小系統(tǒng)的基礎上進行了擴展，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；16V8 GAL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。開關電源的核心是單片三端開關電源芯片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、功率開關場效應管、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)軟件設計

整個系統(tǒng)的軟件采用C2000 DPS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、GP TIMER1中斷服務程序。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、定時器時間的設定、定時器服務子程序地址的設定等。初始化流程圖如圖4所示。

中斷服務程序是軟件設計的核心，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/down count in 50ns steps

SPLK #PWM_PERIOD,T1PR ;PWM carrier frequency

;fpwm=50ns * 2 *

PWM_PERIOD

SPLK #1207H,COMCON ;CMPRx,T1PR reload at Timer 1

;ACTR reload at Timer1=0

;enable PWM1-6 outputs

SPLK #0207H ,COMCON ;SYMMETRICAL PWM

SPLK #0666H ,ACTR ;PWM 1,3,5 active high

;PWM 2,4,6 active low

SPLK #32E0H ,DBTCON ;dead band =2.5μs */

SPLK #8000,COMCON ;enable compare unit */

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)控制精度高，動態(tài)響應快，是一種高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)。