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高性能DSP在直接转矩控制系统中的应用 |
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摘要：直接转矩控制（Direct Torque Control）是一种新颖的异步电动机调速方案，它是在定子坐标系下，通过检测定子电压、电流等变量，直接计算和控制电动机的磁链与转矩，获得转矩的高动态性能。DSP具有运算速度快、处理能力强和实时性好等特点，这使得很多复杂的控制策略和控制算法得以容易地实现。本文介绍直接转矩控制的基本原理、高性能TMS320F2812数字信号处理器的体系结构和主要特点、TMS320F2812在异步电机直接转矩控制系统中的应用。
1 引言
随着电力电子技术、微电子技术、控制理论的高速发展，交流调速技术得到了长足的发展，在高性能的交流调速领域内出现了矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）两种控制思想。其中DTC技术摒弃了VC中的需要解耦的控制思想，它具有简单的控制结构、良好的动静态性能和快速的响应速度等特点，它一诞生就得到了广泛关注，目前已成为研究的热点问题。本文将介绍基于TMS320F2812 DSP芯片的交流感应电动机直接转矩控制系统。
2 直接转矩控制原理结构
直接转矩控制系统基本原理图如图1所示。
图1 直接转矩控制基本原理图
在图1中，逆变器有三个桥臂，每个桥臂上存在互锁的两个开关Si、（i＝1，2，3），通过控制Si的开关状态如图1（a）所示，可以得到8个电压空间矢量Us（加到电动机定子绕组上），其中6个为工作电压空间矢量，它们等幅且两两相隔60°，连接这6个电压空间矢量的顶点可构成一个正六边形，另外的两个为零矢量，位于六边形的中心，如图1（b）所示。通过正确的开关的通断，可顺序形成不断旋转的电压空间矢量，从而在异步电动机气隙形成旋转的磁链，而通过零矢量的恰当选择可以控制磁链的平均旋转速度。定子磁链Ψμ、转子磁链Ψγ以及转矩之间Td存在关系: ，θ为定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角，Lσ为转子漏感。在实际的运行中，为充分利用电动机铁心，保持定子磁链幅值为额定值，而转子磁链幅值由负载的大小决定，要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁通角θ的大小来实现。在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量Us来控制定子磁链的旋转，控制定子磁链的走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁通角θ的大小，以达到控制电机转矩的目的[1]。
3 高性能DSP TMS320F2812芯片
在直接转矩控制系统中，DSP芯片是控制器的核心，所有复杂的控制算法和控制策略都通过它来实现。TMS320F2812是Texas公司C28TM系列中最新成员，其高速的运算能力、强大的实时处理能力和高度集成化的设计结构，使得它在控制领域内得到了人们的青睐。下面介绍TMS320F2812主要特点，其结构框图[2]如图2所示。
图2 TMS320F2812功能图
TMS320F2812的CPU是基于C28xTM的32位定点内核，主频达150MHz。TMS320F2812芯片具有高度集成的结构，在片内集成大量的外设（如图2所示），这些外设包括:事件管理器EVA/EVB、16通道12位模数转换器ADC、看门狗定时器Watchdog、通用输入输出引脚GPIO、多通道缓冲串行外设McBSP、改进CAN总线接口、双通道串行通信接口SCIA/SCIB、串行外设接口SPI等。与C28xTM DSP以前的芯片相比，TMS320F2812有自己的特点:
（1） 它是C2000系列中第一代32位的定点DSP芯片（C24xTM为16位DSP芯片）;
（2） 芯片内部有3个32位定时器;
（3） 具有12位的ADC（以前的为10位）和双通道SCIA/SCIB;
（4） 有多通道缓冲串行外设McBSP;
（5） 采用改进的哈佛结构和八级流水线作业;
（6） 存储空间大大扩展，其片内存储器资源包括:128K字×16位的Flash存储器、128K字×16位的ROM、1K字×16位的OPT ROM、一块1K字×16的SARAM、L0和L1上各有8K字×16位的SARAM、M0和M1上各8K字×16的SARAM;
（7） 可以执行32×32位的二进制补码乘法操作，并产生64位的结果;
（8） 它是C2000系列性能最高的芯片，处理速度达150MIPS，实时处理能力强，能应用于很多复杂的控制算法如无速度传感器的定向控制、运动轮廓的识别和功率因数的校正等，并且其代码与以前各个型号的DSP兼容，它也是目前处理C/C++代码效率最高的DSP芯片（就C2000系列而言）。由于这些特点，TMS320F2812DSP有着广泛的应用空间。
4 基于TMS320F2812的直接转矩控制系统
由于DSP的优越性能，它可被用于数字化控制中，现介绍一个基于TMS320F2812 DSP 的直接转矩控制系统，其方框图[3]如图3所示。
图3 基于DSP的直接转矩控制系统原理图
4.1 系统组成及其控制原理
系统主要由交流电源、整流滤波电路、逆变模块IPM、交流异步电动机M、TMS320F2812DSP芯片、电压电流检测电路、PWM脉冲及光耦电路、光电编码器、键盘显示及上位机组成。
DSP接收到PC上位机发出的输入信号后，将其转换为PWM输出，经过PWM脉冲电路驱动放大后送给逆变器，逆变器的输出信号接到三相异步电机的定子绕组。从DSP输出的PWM脉冲可以控制逆变IPM模块电路的开关状态，而逆变器开关状态的改变，可在电机定子上形成旋转的电压空间矢量。通过工作电压空间矢量和零矢量的交替选择，可以控制定子磁链的走走停停，这样磁通角（定子磁链和转子磁链的夹角）的大小也相应地随之改变，从而达到直接控制电动机转矩的目的。光电编码器检测电机的转动方向及转角，其输出信号反馈回DSP的正交编码脉冲电路（QEP），形成闭环控制，实时有效地控制电动机。
4.2 系统核心—TMS320F2812 DSP控制器
整个系统以TMS320F2812为核心，所有复杂的控制算法及控制策略都是通过TMS320F2812控制器来实现的。从图3知，该系统涉及到DSP的大部分集成外设，如:事件管理器EV、串行通讯接口SCI、串行外设接口SPI、模数转换器ADC、PWM发生模块以及JTAG仿真接口等。下面简单介绍各模块的功能。
（1） 事件管理器EV
它是一个专门为控制系统（运动控制和电机控制）设计的模块，包括通用定时器（GP）、全比较单元、捕获单元和正交编码脉冲电路（QEP）等四个基本单元。在该系统中，利用正交编码脉冲电路（QEP）对引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（EVB）上的正交编码脉冲进行解码和计数，直接处理光电编码盘的正交编码脉冲，通过检测2路信号的相位关系可以判断电机的位置和速度信息。此外，事件管理器内部有PWM发生电路，可产生PWM波形，用于控制逆变器开关的通断时间。
（2） 串行通讯接口SCI
TMS320F2812设有双通道异步串行外设通信口（包括SCIA和SCIB，24x系列中只有一个SCI），在该系统中它与RS-232 或者RS-485等标准接口相接，用于DSP的CPU与PC上位机之间的数字通信。支持半双工、全双工等通信模式。
（3） 串行外设接口SPI
SPI是一个高速同步串行I/O口，在该系统中SPI连接DSP控制器和显示器，用于DSP和外部外设之间的数据通信。典型应用还包括作为外部I/O或用于对外设（ADC、显示驱动器等）进行扩展。
（4） 模数转换器ADC
ADC模块是一个带采样/保持电路的12位模数转换器，具有自动排序能力，一次最多可执行16个通道的自动转换。它的转换速度很快，在25MHz的ADC时钟时，执行一次转换操作时间为80ns[4]，比F2407快得多。该系统采用一个电压传感器和两个电流传感器，通过检测逆变器前端的母线电压Udc，经ADC采样后可根据当前的开关状态计算逆变器输出电压的usα和usβ分量;同时，电机的两相电流由电流传感器检测后也经ADC模块采样，再经过3/2变换，可求出电流分量isα和isβ，最后根据有关公式可算出磁链和转矩的大小。
（5） JTAG仿真接口
用于系统的在线仿真和测试。
4.3 逆变模块IPM
为了提高逆变电路的可靠性，系统采用日本三菱的IPM智能模块，型号为PM25RSB120，其内部有7只IGBT，除用于三相桥臂外，另外一只可做泵升电压的旁路开关。IPM不仅将功率器件IGBT和驱动电路集成在一起，而且对过流、过压、过热以及控制电压欠压等故障具有自动保护的功能，是一种故障率低、又可使装置小型化和轻量化的功率器件，还可以大大降低输出电压低次谐波的含量。当检测信号之一不正常时，DSP迅速将PWM输出端设为高阻，封锁脉冲输出，从而进行有效保护。
为避免DSP工作不正常时IPM的上下桥臂“直通”现象，在每对PWM信号先加互锁电路，然后到隔离驱动和电平转换再送IPM的控制端，如图4所示[5]。
图4 IPM门极互锁驱动电路
IPM采用四组独立的15V驱动电源供电，光耦用快速6N137，以保证隔离信号响应快，输出信号好。系统中的其它模块在此不作介绍。
5 结束语
基于TMS320F2812的高性能直接转矩控制系统，充分利用TMS320F2812运算速度快、处理能力强、实时性好和高度集成等优点，系统结构简单可靠、控制精度高、动态响应快，是高效的交流调速控制系统。另外TMS320F2812具有体积小、功能全、可靠性高、成本低、可扩展性强等特点，可广泛应用于工业数据采集和控制等应用领域，同时它也为实现数字化控制提供了有效的途径。(end)
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(11/8/2007) |
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