基于DSP的直接转矩控制系统的设计与实现
随着电力电子和计算机技术的发展,高性能的异步电动机调速系统得到了广泛的应用。而高性能的交流调速系统,都离不开数字信号处理器。以往的数字信号处理速度很快,但控制功能较差。新型的F24X/C24X系列DSP是TI公司专门为三相交流调速开发的数字马达调速控制器,它既具有通用DSP的快速性,又兼有三相交流调速的控制功能。本文根据异步电动机直接转矩控制原理,开发出了基于TMS320F240 DSP的高性能交流调速系统。实验结果表明,采用TMS320F240 DSP的控制系统,具有硬件电路简单、性能优良的特点。
1 系统结构和原理
直接转矩控制系统的原理利用空间矢量分析法,采用定子磁场定向,将定子电流、电压进行3/2变换,从而直接在静止α-β坐标系下计算交流电动机的转矩和磁链,再分别与给定转矩和磁链进行比较,根据比较结果查找最优开关表格产生PWM信号,直接对逆变器的开关状态进行控制。基本框图如图1所示。
由3相/2相坐标变换可以得到如下的定子电压和电流空间矢量表达式：
根据u-i模型,定子磁通的表示式为：
φs=∫(us-Rsis)dt (3)
而电磁转矩方程为：
T=np(φsαisβ-φsβisα) (4)
得到定子磁通和电磁转矩后,再与给定值进行较,根据比较结果和矢量角度θ确定合适的开关状态,产生PWM逆变信号,控制主回路逆变器的工作状态,从而实时地控制电机的转矩。
2 硬件系统设计
本交流调速控制系统以TMS320F240 DSP为核心,由整流器、电压型主回路和控制回路组成。整个系统按功率电路板、DPS控制板、15V开关电源等进行模块化设计。
2.1 功率电路
功率电路由EMS、不可控整流模块和IGBT逆变模块IPM构成,
同时具有过流、过压等保护功能。通过电抗线圈,EMS消除来自电网的电磁干扰,提高整个系统的抗干扰能力。驱动电路选用日本三菱公司的智能IGBT逆变模块IPM（PM10RSH120）,不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起,而且还具有过流、过压、欠压、温度等保护电路,不但可以保护IPM模块,而且也简化了片外的驱动电路,减少了系统的故障率。IPM的故障输出信号FO通过光电耦合器接到DSP的PDPINT端口,在IPM发生故障时,DSP能及时把所有事件管理器输出脚都置成高阻状态,禁止PWM信号输出,对系统进行保护。驱动回路选用惠普HCPL4504作PWM驱动电路,并进行隔离,以免强电串入DSP控制回路。图2给出一路驱动回路。
逆变器要求同一桥臂上下开关管始终有一个导通,另一个截止,而且必须互锁。因此PWM信号必须有一定时间的死区,否则将会造成同一桥臂上下开关管同时导通,导致IGBT模块烧坏。TMS320F240内集成死区调节电路,死区时间可在0～102μs内调节。系统死区时间由软件来设定,本系统取死区时间为4.5μs。
两相定子电流的检测采用两个磁平衡式霍尔电流传感器来完成,直接安装在功率板上,通过连接头将检测的信号送到TMS320F240控制板,利用片内ADC,获得实时的定子电流信号。
2.2 DSP控制板
DPS控制由TMS320F240 DSP、仿真调试接口JTAG、128K Words外部SRAM、10M晶振、硬件复位回路等构成,其核心为TMS320F240 DSP芯片,它是美国TI公司专门为三相交流调速而开发的数字马达调速控制器。TMS320F240强大的处理能力使面向电机控制的控制算法如矢量控制、直接转矩控制可以快速地实现。DSP控制板主要完成算法处理、PWM输出、模/数转换、与上位机通信及显示等任务。为了完成上述任务,本系统在DSP最小系统的基础上进行了扩展,16通道10位ADC接口用来接电流等反馈信号;RS232串口用于与上位机通信,显示数据、波形;16V8 GAL用于组合 控制信号。另外,还添加了LCD显示电路、键盘输入电路、3个34针外围接口（与功率板、传感器、键盘等相连接）以及电路模块。
2.3 开关电源模块
IPM对驱动电源要求较高,上桥臂的每个IGBT单元都需要单独的隔离的15伏电压供电,以增强抗干扰能力,降低电源噪音;下桥臂所有单元由一个公用的15V电源供电。因此电源模块包括4个彼此隔离的15V电源,为IPM模块的驱动电路提供能源。开关电源的核心是单片三端开关电源芯片TOP227,它将PWM控制系统的全部功能集成到三端芯片中,内含PWM、功率开关场效应管、自偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路。
3 系统软件设计
整个系统的软件采用C2000 DPS汇编语言编写。TMS320F240通过事件管理器启动ADC,获得电流、电压信号,实现对磁通、转矩的控制。整个软件包括三个部分：初始化、故障诊断、GP TIMER1中断服务程序。系统的软件模块流程图如图3所示。其中,初始化模块主要完成电机参数的给定、变量赋初值、定时器时间的设定、定时器服务子程序地址的设定等。初始化流程图如图4所示。
中断服务程序是软件设计的核心,它完成几乎所有的控制算法,如ADC检测、3/2变换、磁通和转矩的计算、角度θ的获得、电压矢量选择、作用时间和死区时间的计算与设定、PWM的发生等,这个过程在一个采样周期（50μs）内完成。中断服务子程序流程图如图5所示。
PWM信号的产生是由时间管理器通过对特殊寄存器进行配置完成的,对称PWM寄存器配置代码如下：
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 实验结果
上述直接转矩控制系统实验采用4极异步电动机：2.2kW;380V;2.5A;1500r/min。直流发电机作为异步电动机的负载。图6给出了转矩的阶跃响应曲线和定子磁链波形。实验结果表明,系统具较好的性能。
基于TMS320F240的高性能直接转矩控制系统,充分利用了TMS320F240的高速计算功能和丰富的片内外设资源,使交流调速系统结构简单,可靠性高。实验结果表明,本文提出的系统控制精度高,动态响应快,是一种高性能的交流调速系统。
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