王海穩(wěn) ,張井崗 ,張 敏 ,邵雪卷

(1.太原科技大學(xué)自動化系,山西太原030024;2.武昌造船廠技術(shù)中心船研所,湖北武漢430060)

數(shù)字信號處理器DSP具有運算速度快,控制算法靈活,運算能力強(qiáng),性能價格比高和兼容性好等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于全數(shù)字化交流調(diào)速系統(tǒng)中[1-3]。DSP可以通過數(shù)字控制排除溫度誤差以及模擬電路的非線性誤差和調(diào)整誤差等因素的影響,從而大大提高調(diào)速系統(tǒng)的性能。利用DSP高速信號處理的特性,可以實現(xiàn)各種先進(jìn)的控制算法,從而使控制性能進(jìn)一步提高,這使得交流調(diào)速系統(tǒng)的性能和精度更優(yōu)于傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)。

本文討論了高速DSP在全數(shù)字交流調(diào)速系統(tǒng)中的硬件和軟件設(shè)計及其實驗平臺在教學(xué)中的實際應(yīng)用。

基于DSP的全數(shù)字化交流調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺由交流電機(jī)、功率驅(qū)動模塊、控制器及測量與反饋模塊等組成。其中,各種控制策略和控制算法都是由以DSP為核心的控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。基于DSP的調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺的框圖如圖1所示。

圖1 基于DSP的交流調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺框圖

1 實驗平臺結(jié)構(gòu)

實驗平臺由Technosoft公司提供的電機(jī)運動控制平臺構(gòu)成。它通過 RS-232接口與上位機(jī)連接。其硬件部分核心處理器為TI公司開發(fā)的專用于電機(jī)驅(qū)動的DSP處理器TMS320LF2407,通過專用于電機(jī)控制的MC-BUS總線與功率模塊連接,可以完成調(diào)試中的數(shù)據(jù)處理、記錄及圖像的生成等功能。系統(tǒng)的軟件環(huán)境為DMCD-Pro,它具有程序編寫,修改和調(diào)試等基本功能,同時具備對給定值進(jìn)行賦值和圖形集成開發(fā)功能。兩者共同作用實現(xiàn)對調(diào)速系統(tǒng)的控制并能對控制結(jié)果進(jìn)行有效的分析。

2 實驗平臺組成

2.1 硬件平臺

交流調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺的硬件平臺主要由三部分組成:上位機(jī)、MCK 2407 DSP運動控制板和感應(yīng)電機(jī)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 基于DSP調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

MCK 2407運動控制板由MCK2407 DSP模塊及ACPM 750功率模塊兩部分組成。它們之間通過專用于電機(jī)控制的總線MC-BUS總線連接。MSK2407 DSP模塊的核心是TMS320LF2407 DSP處理器。通過對 DSP處理器的擴(kuò)展,使得MCK2407的運算能力更大,控制功能更強(qiáng)。ACPM 750功率模塊主要由檢測和保護(hù)電路組成,實現(xiàn)對信號準(zhǔn)確的檢測及電路的正常運行。上位機(jī)通過RS232接口線實現(xiàn)與CAN收發(fā)器之間的通訊,而 CAN收發(fā)器確保 MCK2407 DSP板上的CAN總線網(wǎng)絡(luò)功能的實現(xiàn)。感應(yīng)電機(jī)通過編碼器連線與運動控制板相連,編碼器將檢測到的速度信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的脈沖信號,即脈沖個數(shù)值,對此數(shù)值通過DSP處理后參與程序運行。這里由+5V直流電源對MCK2407 DSP模塊供電,由220V交流電源對ACPM 750功率模塊及感應(yīng)電機(jī)供電。系統(tǒng)實物連接圖如圖3所示。

圖3 基于DSP調(diào)速系統(tǒng)實物圖

2.2 軟件架構(gòu)

實驗平臺軟件為DMCD-Pro,它可在Windows操作平臺下運行。這是一個圖形式運動控制評估與分析軟件,為 TMS320LF240內(nèi)嵌的電機(jī)控制專用外設(shè)的一個圖形式運動控制評估/分析軟件,適用于一些特殊的內(nèi)嵌于TMS320F2407 DSP中的運動控制外部設(shè)備,具有參考量生成模塊和軌跡規(guī)劃功能。DMCD-Pro平臺是DSP代碼開發(fā)、調(diào)試和分析的理想開發(fā)環(huán)境,可操作項目文件和它相關(guān)的監(jiān)控變量,組織項目管理系統(tǒng),實現(xiàn)當(dāng)前程序的啟動、停止、斷點和單步執(zhí)行。

DMCD-Pro包含先進(jìn)的參考點發(fā)生器插件和基本的匯編器及鏈接器,允許創(chuàng)建,修改和測試高級匯編應(yīng)用程序來選擇合適的DSP處理器。在此平臺下,可以編寫、調(diào)試系統(tǒng)程序;對給定變量(電流,速度,位置)進(jìn)行賦值;具有先進(jìn)的圖形集成開發(fā)環(huán)境的實時數(shù)據(jù)存取器。圖形控制面板提供在線數(shù)據(jù)顯示和運動參數(shù)設(shè)置,實現(xiàn)調(diào)試過程中的全局變量、DSP板數(shù)據(jù)和程序內(nèi)存內(nèi)容的顯示和編輯及實驗結(jié)果圖像的生成。一個典型的實驗結(jié)果顯示如圖4所示。

圖4 DMCD-Pro操作界面示圖

3 實驗平臺功能實現(xiàn)

根據(jù)平臺所要實現(xiàn)的功能及軟件的設(shè)計要求,將軟件分成兩個主要模塊:一個是主程序及系統(tǒng)初始化程序,包括DSP硬件接口初始化,控制寄存器賦初值;另一個是控制運行子程序,包括坐標(biāo)變換,控制器的實現(xiàn)和系統(tǒng)中斷服務(wù)等。

主程序所要完成的任務(wù)較多,部分程序需要由準(zhǔn)確的定時,但對實時性和速度的要求一般都不高,故主程序用C語言編寫,以利提高代碼的可讀性和程序結(jié)構(gòu)的清晰性。主程序中的定時借助于定時觸發(fā)的中斷服務(wù)程序來完成,主程序在運行過程中不斷被定時觸發(fā)的中斷服務(wù)程序打斷,在中斷服務(wù)程序的執(zhí)行中運行。子程序?qū)崟r性要求較高,故采用匯編語言編寫,以提高運算的快速性。通過主程序調(diào)用匯編子程序的形式對系統(tǒng)程序?qū)嵭姓?達(dá)到系統(tǒng)的控制要求。系統(tǒng)所需參數(shù)及轉(zhuǎn)速值的給定都通過上位機(jī)給出。

3.1 定時器及中斷設(shè)置

在平臺的實時環(huán)境中,有2個中斷級別:①高優(yōu)先級中斷,用于電流控制;②低優(yōu)先級中斷,用于速度控制。由DSP處理器的2個定時器完成。其中,定時器1(GPT1)用于產(chǎn)生一個頻率為20kHz的PWM,并且用于產(chǎn)生實時中斷去激活快速(電流控制)和慢速(速度控制)中斷。通過計數(shù)器,電流控制子程序每2個PWM周期(100微秒)執(zhí)行一次,速度控制子程序每10個PWM周期(1毫秒)執(zhí)行一次。定時器2(GPT2)用于編碼脈沖的計數(shù),通過計算一個速度環(huán)采樣周期內(nèi)編碼器位置的變化量得到電機(jī)速度的數(shù)字值。

3.2 磁場位置檢測

感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場定向控制必須計算出轉(zhuǎn)子磁場的大小及位置,本系統(tǒng)通過滑差補(bǔ)償裝置得到轉(zhuǎn)子角度增量的計算,從而實現(xiàn)磁場的大小及位置的確定。這里,我們引入滑差補(bǔ)償參數(shù)(C-omg,Sh-omg,C-slip,Sh-slip分別對應(yīng)為:速度因子、速度因子偏移量、滑差因子、滑差因子偏移量)。我們可以采用如下公式計算電角度的增量來測量速度:

一旦計算出電角度的值,它就可以用于坐標(biāo)變換中所必需的正、余弦值計算。正、余弦的計算采用查表的方式求得。將360°電角度分成256份,每份1.40625°,編成256個正弦值數(shù)據(jù)表。將電角度轉(zhuǎn)化為Q12格式以 θe表示,θe的范圍為 0～FFFH,查表前將θe右移4位,使其范圍變成0～FFH,直接成為查256(FFH)個數(shù)據(jù)表的索引值。

3.3 PWM的產(chǎn)生

采用一組等腰三角形波與正弦波進(jìn)行比較的方式生成PWM波形。其中,這組等腰三角形波稱為載波,而正弦波稱為調(diào)制波。如圖5所示,圖中的交點為開關(guān)管的“開”或“關(guān)”的時刻。改變正弦波的幅值可以改變正弦波與載波的交點,使輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化,從而改變了輸出電壓;改變正弦波的頻率可以改變輸出電源的頻率,從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖5 PWM產(chǎn)生示意圖

PWM波形產(chǎn)生的方法有兩類:硬件法和軟件法。硬件法是通過專用的集成電路生成PWM波形,本文采用軟件法通過實時計算來生成PWM波形,它要求控制器的運算速度非常高,而DSP無疑是滿足這一要求的理想處理器。將電流控制器的輸出電壓值經(jīng)過2/3坐標(biāo)變換,可以得到感應(yīng)電機(jī)各相電壓給定值(Q15格式)并存儲在相應(yīng)的比較寄存器中,通過DSP處理器的全比較PWM單元來實現(xiàn)PWM的產(chǎn)生,PWM的輸出作為6路電源逆變器的輸入。

3.4 速度的給定及其估計實現(xiàn)

速度的給定值通過上位機(jī)在DMCD-Pro平臺的給定值對話框中給出。DMCD-Pro平臺內(nèi)集成一個通用的給定值發(fā)生器,通過上面的對話框它能很容易的對變量(電流,速度,位置)進(jìn)行賦值,同時還可以完成對變量的定義,檢查,修改以及添加、移除等功能。

采用M法測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速,也就是在一個采樣周期T內(nèi),測取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)M,來計算采樣周期內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速,稱做M法測速。如圖6所示。

圖6 M法測速示意圖

用M除以T即可得到編碼器輸出脈沖頻率f=M/T,所以這種方法亦稱為頻率法。電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)為Z(這里,Z=倍頻系數(shù)×編碼器光柵數(shù)),f除以Z就得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通常,周期T的單位為秒,轉(zhuǎn)速的單位為r/min,則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=60M/ZT。

4 實驗平臺在教學(xué)中的應(yīng)用

在實驗平臺上,針對調(diào)速系統(tǒng)的實際需求,首先設(shè)計PI電流環(huán)控制器。PI參數(shù)設(shè)計的方法是首先使電流環(huán)控制器零點對消電機(jī)模型極點,然后調(diào)試P直到使內(nèi)環(huán)剛好不產(chǎn)生超調(diào)為止。內(nèi)環(huán)調(diào)試完成后,通過掃頻儀測試系統(tǒng)的模型,基本確定包含電流調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)模型后,開始調(diào)試速度環(huán)。由于DSP運算能力的限制,內(nèi)環(huán)一般只采用PI控制器,系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)均在速度調(diào)節(jié)器中完成。由于電流內(nèi)環(huán)調(diào)試相對簡單,比較容易掌握。

速度環(huán)的調(diào)試首先是進(jìn)行PI方法調(diào)試,在調(diào)試PI參數(shù)時,首先根據(jù)Matlab仿真結(jié)果在系統(tǒng)中實驗,然后根據(jù)系統(tǒng)帶寬、穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)定性之間的指標(biāo)約束,尋找PI參數(shù)的最佳值。這個過程需要一定的經(jīng)驗,通過大量的實驗,學(xué)生逐步掌握了系統(tǒng)參數(shù)和系統(tǒng)響應(yīng)之間的聯(lián)系。

雖然,PI控制器較容易掌握,但通過調(diào)試整定好的PI控制器可能還不能滿足系統(tǒng)的全部指標(biāo)要求,這就需要設(shè)計更復(fù)雜的控制器,在該實驗平臺上,可以實現(xiàn)多種復(fù)雜的算法,比如學(xué)生可以根據(jù)內(nèi)模控制原理設(shè)計感應(yīng)電機(jī)的的控制器,采用內(nèi)?？刂频南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示[4]。

圖7 內(nèi)模控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過Matlab仿真可得到滿足系統(tǒng)指標(biāo)的控制參數(shù),然后通過軟件編程下載到控制板中,系統(tǒng)主程序和速度控制子程序流程分別如圖8和圖9所示。經(jīng)過參數(shù)調(diào)試,使系統(tǒng)指標(biāo)滿足要求?？刂破髂Ｐ涂梢栽谲浖蟹奖愕剡M(jìn)行更改,同時可以監(jiān)測到系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

圖8 系統(tǒng)主程序

圖9 速度控制子程序

5 結(jié)語

新一代的數(shù)字信號處理芯片在保證交流調(diào)速系統(tǒng)控制效果的同時很好地滿足了實時處理的需求。其典型代表DSP TMS320F2407集成了電機(jī)控制所需的外圍設(shè)備,因此,由這種DSP為核心的交流調(diào)速系統(tǒng)具有體積小、可靠性高和系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。該DSP交流調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺可以實現(xiàn)多種復(fù)雜的算法如內(nèi)模控制等,使得交流調(diào)速系統(tǒng)的性能和精度更優(yōu)于傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng),從而實現(xiàn)高效率和高精度的交流感應(yīng)電機(jī)的驅(qū)動控制。通過實驗教學(xué),增加了學(xué)生的感性認(rèn)識,操作能力得到了鍛煉,使學(xué)生對抽象的知識點有了更加直觀的了解和掌握。

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[2] 尹泉.基于DSP的全數(shù)字交流調(diào)速系統(tǒng)[J].天津:電氣傳動,2001,4:7-9

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