摘 要:針對某裝備中三相交流異步電機(jī)調(diào)速的要求，以TMS320LF2407A和AT89S52為核心采用磁場定向控制策略設(shè)計(jì)了一電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，給出了硬件原理框圖、關(guān)鍵器件、設(shè)計(jì)思想和程序流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)存儲，抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:TMS320LF2407A; AT89S52; 異步電機(jī); 磁場定向控制; 實(shí)時(shí)顯示

中圖分類號:TN919-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0154-04

Design of the Dual-closed-loop Rotating-speed Regulator of Three-phase Asynchronous Motor

Based on TMS320LF2407A and AT89S52

WANG Zhen， LIU Ling-shun

(Department of Control Engineering， Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China)

Abstract: According to the demand of the rotating-speed regulator of a three-phase asynchronous machine， a control system of the dual-closed-loop rotating-speed regulator is designed with a method of FOC based on TMS320LF2407A and AT89S52. The block diagram of hardware， program flow chart， key components and design ideas are offered in this paper. The experimental results show that this control system has the advantages of quick dynamic response， high-precision control， real-time display and data storage etc.Keywords: TMS320LF2407A; AT89S52; asynchronous machine; FOC; real-time display

0 引 言

三相交流異步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，價(jià)格低，維修方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于武器裝備、給料系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、柔性制造技術(shù)、各種自動化設(shè)備等領(lǐng)域，其轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決定了設(shè)備性能的發(fā)揮。隨著高性能微處理器及新型電力電子器件的出現(xiàn)，使得應(yīng)用全控型電力電子器件和空間矢量(SVPWM)控制技術(shù)進(jìn)行變頻調(diào)速的方式已成為交流電機(jī)調(diào)速控制的主流。

相對于其他微處理器，DSP具有運(yùn)算速度快，可以自己產(chǎn)生有死區(qū)時(shí)間的PWM輸出，可以實(shí)現(xiàn)諸如模糊控制等復(fù)雜的算法，外圍硬件少等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛用于電機(jī)的數(shù)字控制。本文以TMS320LF2407A DSP芯片和AT89S52單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了針對三相交流異步電機(jī)的全數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)存儲，動態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 TMS320LF2407A簡介[1-2]

TMS320LF2407A主要包括算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(CALU)、寄存器集、輔助算術(shù)邏輯單元(ARAU)、乘法器、乘法移位器、累加器、加法移位器、時(shí)鐘鎖相環(huán)電路、兩個(gè)完全等同的事件管理器A，B(包括通用定時(shí)器、比較單元、捕獲/正交編碼器脈沖電路)、內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器、雙串口、看門狗、CAN總線電路單元等。

TMS320LF2407A采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，流水線作業(yè)，在30 MHz內(nèi)部時(shí)鐘頻率下，指令周期僅為33 ns。其內(nèi)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(gè)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(gè)指令周期內(nèi)訪問兩次，因此在數(shù)據(jù)處理能力上有顯著的增加。同時(shí)，B0塊還可以通過程序動態(tài)地配置為數(shù)據(jù)存儲器區(qū)或程序存儲器區(qū)。若配置為程序區(qū)可在上電時(shí)把浮點(diǎn)算法子程序或者數(shù)據(jù)表從外部慢速EPROM裝入此區(qū)域，從而緩解高速處理器與慢速外設(shè)之間的矛盾，這對提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能有很大幫助。TMS320LF2407A內(nèi)部含有內(nèi)嵌采樣保持的10位精度、高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間最短為500 ns(采樣保持+轉(zhuǎn)換時(shí)間)。除此之外TMS320LF2407A還有豐富的、功能強(qiáng)大的中斷系統(tǒng)以及常用的I/O接口，這些都使設(shè)計(jì)調(diào)速控制系統(tǒng)時(shí)的硬件電路得到簡化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于TMS320LF2407A三相交流異步電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)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(gè)IGBT和6個(gè)與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管?？刂齐娐凡糠钟葾T89S52單片機(jī)控制單元、TMS320LF2407A控制器單元、電流檢測電路、

電壓檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、過流保護(hù)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(jī)控制單元[3]

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(zhuǎn)速的設(shè)定;二是通過液晶顯示單元完成對給定轉(zhuǎn)速、電機(jī)啟動時(shí)轉(zhuǎn)速和達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速的顯示;三是完成對雙口RAM中存儲數(shù)據(jù)的讀取，并將讀取的數(shù)據(jù)通過USB接口電路導(dǎo)入上位機(jī)或通過D/A輸出電路輸入到模擬設(shè)備。其中，液晶顯示單元采用中文圖形兩用型液晶顯示模塊OCMJ4X8B-2;鍵盤輸入采用矩陣式按鍵鍵盤可以通過單片機(jī)調(diào)用預(yù)設(shè)的漢字，可以輸入數(shù)字(用來設(shè)置轉(zhuǎn)速);雙口模塊用來存儲TMS320LF2407A采集的變量波形數(shù)據(jù)[4-5]。

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(zhuǎn)速檢測電路、電流檢測電路[1]和電壓檢測電路，分別完成對IPM的驅(qū)動、轉(zhuǎn)速檢測與控制、過流保護(hù)、過壓和欠壓保護(hù)等功能。

光耦隔離電路由6片東芝公司的TLP127及相應(yīng)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(zhuǎn)速檢測電路采用歐姆龍1024原旋轉(zhuǎn)型線編碼器E6B2-CWZ6C，編碼器輸出的脈沖經(jīng)過TMS320LF2407A內(nèi)部4倍頻后可以實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)4 096個(gè)脈沖，從而保證了轉(zhuǎn)速的精度。根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)與給定數(shù)據(jù)比較，調(diào)整DSP輸出驅(qū)動脈沖的寬度，從而調(diào)節(jié)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)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(shí)電流值送入過流保護(hù)電路，當(dāng)其值大于過電流值時(shí)，相應(yīng)過流保護(hù)電路動作產(chǎn)生保護(hù)信號，關(guān)斷PWM信號的輸出;另外兩路檢測流過電動機(jī)的電流，通過變換改變DSP輸出的驅(qū)動脈沖，進(jìn)而保持電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。在本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，TMS320LF2407A采用了ADCIN00，ADCIN01和ADCIN02三路通道，以采集電機(jī)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(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)，在電壓超過設(shè)定的上、下限值時(shí)，DSP關(guān)斷PWM脈沖的輸出，從而實(shí)現(xiàn)過壓和欠壓保護(hù)功能。

圖2 TMS320LF2407A控制單元電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 閉環(huán)調(diào)速控制的原理

本文設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)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AT89S52單片機(jī)控制系統(tǒng)，速度PI調(diào)節(jié)、電流PI調(diào)節(jié)、磁場位置角和轉(zhuǎn)速反饋量的計(jì)算由TMS320LF2407A計(jì)算實(shí)現(xiàn)。測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速通過AT89S52控制系統(tǒng)輸出到液晶顯示單元上實(shí)時(shí)顯示[2]。

圖3 雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)框圖

假設(shè)電機(jī)定轉(zhuǎn)子三相繞組完全對稱;定轉(zhuǎn)子表面光滑，無齒槽效應(yīng)，定轉(zhuǎn)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(jì)，則三相交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程如下:

Tm=pLmLrisqψrd(1)

式中:Lr，Lm分別為轉(zhuǎn)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;ψrd是轉(zhuǎn)子磁鏈在d軸上的分量。

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

ψrd=Lm1+τrPisd(2)

ωsl=Lmτrisqψrd(3)

Tm=PRrψ2rdωsl(4)

式中: Rr=1-L2mLsLr為漏磁系數(shù);τr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)。

由式(2)可知，檢測到定子電流的d軸分量(勵(lì)磁分量)可觀測出轉(zhuǎn)子磁通幅值;由式(4)可知，當(dāng)ψrd恒定時(shí)，只要控制定子電流的q軸分量(轉(zhuǎn)矩分量)，即可控制電磁轉(zhuǎn)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(jīng)過DSP的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并利用iC=-(iA+iB)計(jì)算出iC。電流iA，iB，iC通過Clarke變換和Park變換得到了dq坐標(biāo)系下的勵(lì)磁反饋電流isd和轉(zhuǎn)矩反饋電流isq，與給定的勵(lì)磁電流isdref和轉(zhuǎn)矩電流isqref的差通過PI調(diào)節(jié)后，再經(jīng)過Park逆變換輸出αβ坐標(biāo)下的電壓，DSP利用該電壓生成三相逆變器所需的六路驅(qū)動信號。實(shí)時(shí)測量的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號一方面用于與給定速度比較產(chǎn)生isqref，另一方面進(jìn)入電流-位置磁鏈轉(zhuǎn)換模型求出磁鏈的位置，并用于Clarke和Park逆變換。

3.2 程序流程圖

AT89S52單片機(jī)控制系統(tǒng)上電后，首先通過鍵盤輸入接口輸入給定轉(zhuǎn)速，單片機(jī)將給定轉(zhuǎn)速存儲在雙口RAM中，同時(shí)，給定轉(zhuǎn)速通過單片機(jī)P0口輸出到液晶顯示單元的驅(qū)動控制芯片SED1520，由SED1520驅(qū)動OCMJ4X8B-2顯示轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)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(guān)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(tǒng)上電，運(yùn)行初始化程序完成初始狀態(tài)的設(shè)定(包括對相關(guān)變量采樣數(shù)據(jù)存儲等)，DSP控制系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流采樣，與給定值進(jìn)行比較，若達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，則循環(huán)運(yùn)行，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速改變時(shí)，進(jìn)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[6-7]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對電機(jī)的轉(zhuǎn)速、定子電流、磁通等變量進(jìn)行采樣、保存，并通過USB接口電路轉(zhuǎn)移到上位機(jī);在上位機(jī)上得到的實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示，波形的數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)為2 048。

從圖5(a)上可以看出，電機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值1 000 r/min。在啟動過程中，定子電流由于PWM控制，產(chǎn)生一定的波動，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值后，定子電流也很快趨于穩(wěn)定，動態(tài)響應(yīng)很快;從圖5(b)上可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，定子電流的q軸分量(轉(zhuǎn)矩分量)基本沒有變化，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也不會發(fā)生變化;從圖5(c)和(d)可以看出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)的磁場變化幅度可以忽略，從而電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不會發(fā)生變化，即設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速的控制精度很高，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖4 程序流程圖

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié) 語

本文采用以TMS320LF2407A為PWM控制核心，以AT89S21控制單元為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制管理核心的三相交流異步電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲、實(shí)時(shí)顯示等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)還具有較好的抗干擾性。該系統(tǒng)對電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)也具有較高的指導(dǎo)意義。

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