林云

摘要：本文利用DSP -TMS320C240數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)對(duì)相應(yīng)的交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)TMS320C240型微處理器來(lái)進(jìn)行電機(jī)控制，采用KALMAN 濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)速估算，由8279芯片進(jìn)行鍵盤(pán)與顯示管理，并設(shè)計(jì)了中斷模塊與初始化模塊。以此深入研究基于DSP的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制方法。

關(guān)鍵詞：DSP;交流感應(yīng);電動(dòng)機(jī)控制

0 ?引言

近年來(lái)，現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，使工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)進(jìn)行交流電動(dòng)機(jī)控制，并取得了非常理想的控制效果。通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用，能夠大幅提高交流電機(jī)的控制靈敏性和可靠性，而且花費(fèi)成本較低，可有效滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。為此，以下便對(duì)基于DSP的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制進(jìn)行深入的研究。

1 ?控制對(duì)象

在本文中的控制對(duì)象為異步電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)的參數(shù)中，Pn、Vn、In、Nn的值分別為500W、127V（相）、2.9A和1500轉(zhuǎn)每分鐘，其極對(duì)數(shù)及滑差分別為2與0.066。異步電動(dòng)機(jī)的定子電阻、漏感、電感及轉(zhuǎn)子漏感、電感、電抗和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為4.495Ω、16mH、165mH、13mH、162mH、5.365Ω和0.95×10，而激磁電感則為149mH。

2 ?性能指標(biāo)

在異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度調(diào)節(jié)控制中，其控制微處理器型號(hào)為T(mén)MS320C240，參量采集則通過(guò)KALMAM濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)，異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度的調(diào)控范圍在每分鐘500至1500轉(zhuǎn)，并采用變頻調(diào)整方式。在調(diào)速系統(tǒng)中，利用鍵盤(pán)可對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，并由LED顯示屏來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

除此之外，該系統(tǒng)還采用欠壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、失壓保護(hù)（鎖定起動(dòng)開(kāi)關(guān)、零壓保護(hù)）以及過(guò)載保護(hù)來(lái)保障異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全，調(diào)速方式為SVPWM。

3 ?硬件部分的設(shè)計(jì)

在基于DSP的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括電動(dòng)機(jī)、逆變器、輸入濾波器、整流器、DSP以及輔助部分。

基于DSP的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的控制核心采用TMS320C2系列中的TMS320C240型微處理器，該微型處理器是一種對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化控制的數(shù)字信號(hào)處理器，在微型處理器中的PWM輸出共包括12 路，而微處理器中的內(nèi)核則共計(jì)32位，并具備4級(jí)流水線，該處理器的運(yùn)行頻率可達(dá)到20MHz，在TMS320C240中還對(duì)16K的FLASH ROM進(jìn)行了內(nèi)置。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中不需要對(duì)其他程序存儲(chǔ)器進(jìn)行配置。兩相定子電流會(huì)通過(guò)TMS320C240處理器中的ADCIN2-ADCIN3輸送至KALMAN 濾波器，并由KALMAN濾波器來(lái)估計(jì)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)速度。對(duì)逆變器的控制則通過(guò)PWM1-PWM6六路PWM輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于顯示芯片8279及鍵盤(pán)控制則通過(guò)I/O端口來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且將OPB端口作為8279數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸端口，而8279所需的CLK則通過(guò)TMS320C240中的CLKOUT腳來(lái)進(jìn)行供給。

電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)保護(hù)PDPINT，要想使電動(dòng)機(jī)在出現(xiàn)過(guò)電流、欠電壓、矢電壓、過(guò)載等狀況時(shí)能夠快速中斷，需要設(shè)定給定值，然后對(duì)實(shí)際定子電流進(jìn)行采集并實(shí)施數(shù)模轉(zhuǎn)換，對(duì)比轉(zhuǎn)換值是否超出給定值，如果超出則自動(dòng)進(jìn)行中斷，從而使整定值得到有效保護(hù)，并且TMS320C240中的PDPINT會(huì)自動(dòng)被觸發(fā)，微處理器會(huì)中斷逆變器驅(qū)動(dòng)電平輸出，同時(shí)對(duì)狀態(tài)返轉(zhuǎn)進(jìn)行鎖定。

對(duì)于PRESET，則將其和手動(dòng)復(fù)位電路與開(kāi)機(jī)復(fù)位電路進(jìn)行連接?？紤]到系統(tǒng)模擬部分與數(shù)字部分并未徹底隔離，因此需要確保模擬電壓與數(shù)字電源的輸入都采用同一5V，分隔模擬地與數(shù)字地，并通過(guò)一點(diǎn)接地法，以使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾性能。在系統(tǒng)ADC單元中，其基準(zhǔn)電壓則采用供電電源，VREFLO 接地、VREFHI 接+5V。為了提高系統(tǒng)抗干擾性和可靠性，還要使用看門(mén)狗。在對(duì)系統(tǒng)的鍵盤(pán)和顯示器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用8279鍵盤(pán)顯示器接口，該接口中對(duì)FIFO進(jìn)行了內(nèi)置，最大鍵值存入量為八個(gè)，F(xiàn)IFO會(huì)讀入按下鍵，并將中斷信號(hào)發(fā)送給CPU，而CPU則可讀入鍵值。在系統(tǒng)的顯示部分中，應(yīng)用了16×8 位顯示RAM，該RAM能夠?qū)?6位顯示器進(jìn)行接入，在此過(guò)程中，CPU會(huì)對(duì)RAM地址進(jìn)行顯示，然后寫(xiě)入或讀出RAM地址。通過(guò)RAM地址能夠進(jìn)行自動(dòng)加1，以便于CPU對(duì)讀出鍵、通訊鍵、回車(chē)鍵、刪除鍵等多達(dá)16個(gè)按鍵進(jìn)行讀出。系統(tǒng)中采用的顯示器通過(guò)6位LED進(jìn)行數(shù)字顯示，其能夠?qū)︽I盤(pán)輸入狀態(tài)、速度進(jìn)行顯示。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，LED顯示屏?xí)?duì)其實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確顯示，而轉(zhuǎn)速單位則采用1RMP，對(duì)于輸入轉(zhuǎn)速單位則同樣采用 1RMP。

在管理鍵盤(pán)與顯示器時(shí)則通過(guò)8279芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要將8279當(dāng)作一個(gè)I/O口，考慮到外部I/O口僅有1個(gè)，所以不用進(jìn)行譯碼。在8279中的CS、RD、WR以及A0分別通過(guò)IS、R、W、A0進(jìn)行控制。A0電平的高低能夠決定數(shù)據(jù)、命令及狀態(tài)在8279芯片線上的傳送，當(dāng)A0處于低電平時(shí)，則傳送數(shù)據(jù)，而當(dāng)A0處于高電平時(shí)，則傳送命令與狀態(tài)。在I/O地址內(nèi)分別用0001H與0000H來(lái)對(duì)應(yīng)命令或狀態(tài)與數(shù)據(jù)。CLK時(shí)鐘信號(hào)會(huì)輸入到8279芯片中，而時(shí)鐘信號(hào)輸出則由TMS320F240的CLKOUT腳來(lái)完成，所以需要將兩者連接起來(lái)。對(duì)于TMS320F240來(lái)說(shuō)，其時(shí)鐘頻率可達(dá)到20MHz，而8279芯片的時(shí)鐘頻率則達(dá)到約100kHz，因此需要把8279芯片分頻的值設(shè)定在200左右。在8279芯片上，采用74LS138對(duì)SL0-SL2掃描輸出線實(shí)施3-8線譯碼，以便于掃描顯示器與鍵盤(pán)。在對(duì)顯示部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，LED信號(hào)通過(guò)8279芯片上的LED顯示輸出端口OUTA0-OUTA3來(lái)進(jìn)行輸出，8段LED陽(yáng)極及其陰極則分別通過(guò)電阻外拉+5V和7407驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。由此SL0-SL2在對(duì)各個(gè)LED進(jìn)行掃描的過(guò)程中，便可將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。在基于DSP的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，其鍵盤(pán)包括兩組鍵位，每組8個(gè)，以此構(gòu)建通過(guò)2×8 矩陣，并且各組鍵位采用同一線路，并在RL0與RL1中分別接入，在矩陣中，還有其他8根輸入線，即74LS138輸出線。如果操作人員按下鍵盤(pán)中的某個(gè)鍵，8279芯片可對(duì)RL0與RL1狀態(tài)進(jìn)行掃描，便能夠?qū)唧w的按下鍵位進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，ROM字節(jié)為3k，而RAM則僅為1k，并且DPS的能量消耗不到一半，因此能夠確?？刂茣r(shí)間在50微秒內(nèi)完成，而控制誤差則只有1%，系統(tǒng)運(yùn)行效率更是高達(dá)85%以上，通過(guò)DSP控制器的應(yīng)用，可大幅降低系統(tǒng)損耗，使系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性得到顯著改善。

4 ?軟件部分的設(shè)計(jì)

在基于DSP的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，其軟件部分由兩大模塊組成，分別是中斷模塊與初始化模塊，其中中斷模塊能夠通過(guò)PWM申請(qǐng)進(jìn)行中斷控制，PWM申請(qǐng)會(huì)列入到中斷服務(wù)隊(duì)列（ISR）中進(jìn)行響應(yīng)，以此對(duì)FOC算法進(jìn)行完整執(zhí)行。在軟件部分的顯示器及鍵盤(pán)程序的設(shè)計(jì)工作中，LED顯示可通過(guò)8279芯片進(jìn)行單獨(dú)管理，因此TMS320F241可用動(dòng)態(tài)化的掃描LED狀態(tài)，其僅需對(duì)信息變化進(jìn)行顯示的過(guò)程中對(duì)相應(yīng)的RAM內(nèi)容進(jìn)行改變即可。

系統(tǒng)中斷控制方式則由鍵盤(pán)進(jìn)行管理，當(dāng)鍵盤(pán)中的鍵位被按下以后，會(huì)在中斷服務(wù)程序中自動(dòng)加入。8279的FIFO鍵值則通過(guò)中斷服務(wù)程序進(jìn)行讀取，然后依據(jù)具體鍵值來(lái)對(duì)對(duì)應(yīng)的功能子程序進(jìn)行執(zhí)行。在鍵盤(pán)中的各個(gè)鍵位中，與之相對(duì)應(yīng)的FIFO輸入數(shù)據(jù)具體如下：“START”-11H、“ENTER”-39H、“STOP”-19H、“SET”-29H、“DEL”-31H、“COM”-21H、“0”-00H、“1”-08H、“2”-10H、“3”-18H、“4”-20H、“5”-28H、“6”-30H、“7”-38H、“8”-01H、“9”-09H、“0”-“9”同樣也有字形數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，分別為3FH、06FH、5BH、4FH、66H、6DH、7DH、07H、7FH、6FH?！癈”-39H，“P”-73H，“S”-6DH，“O”-3FH，“F”-71H，“N”-37H，“_”-04H，“E”-79H。為了驗(yàn)證DSP對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制效果，可將DSP系統(tǒng)應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)車(chē)的交流電機(jī)控制中，在系統(tǒng)中的主要部件有內(nèi)燃機(jī)車(chē)交流電機(jī)、PLC控制器以及PWM驅(qū)動(dòng)器等，通過(guò)系統(tǒng)輸出信號(hào)來(lái)對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)中的交流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)信號(hào)所具有的占空比關(guān)系進(jìn)行調(diào)整。

在通過(guò)MATLAB實(shí)施仿真過(guò)程中，可將內(nèi)燃機(jī)車(chē)中的交流電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速假設(shè)為1750r/min，并在負(fù)載不同情況下進(jìn)行電機(jī)測(cè)試，以此對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)中的交流電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)速度上的變化情況進(jìn)行曲線繪制，以此對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)交流電機(jī)的穩(wěn)定時(shí)間、過(guò)沖性能以及轉(zhuǎn)速提升所需時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)綜合對(duì)比可了解到，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，電機(jī)速度提升所需要的時(shí)間較短，但電機(jī)穩(wěn)定時(shí)間以及過(guò)沖率卻比較小，而負(fù)載較小時(shí)，其速度提升用時(shí)較長(zhǎng)，但在穩(wěn)定性上表現(xiàn)良好。

仿真結(jié)果表明，采用本文中的DSP系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)交流電機(jī)的快速控制，內(nèi)燃機(jī)車(chē)的電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定時(shí)間能夠控制在0.21s以?xún)?nèi)，這說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的DSP系統(tǒng)能夠有效應(yīng)用于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制工

作中。

5 ?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在對(duì)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用TMS32OC240芯片能夠顯著提高該系統(tǒng)的可靠性和靈敏性，而且花費(fèi)的成本也較低，能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域的控制要求。

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