摘 要: 數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F240是針對(duì)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制的專(zhuān)用DSP控制器。利用控制器DSP（TMS320F240）實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的全數(shù)字化，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件包括外圍接口進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用DSP匯編語(yǔ)言進(jìn)行了軟件編程設(shè)計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 系統(tǒng)具有優(yōu)越動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。 關(guān)鍵詞：DSP;感應(yīng)電機(jī);直接轉(zhuǎn)矩控制;數(shù)字控制 ABSTRACT: Aiming at the control of induction motor，the digital direct torque control scheme is implemented with DSP （TMS320F240）, which is developed specially for motor and motion control. The hardware is completely designed including wealthy peripherals and software is programmed in DSP assembly language. All the design above is confirmed by experiment. It indicates the control system of induction motor has better dynamic and static characters. KEY WORDS: DSP; Induction Motor; Direct Torque Control; Digital Control 1 引言 　　TMS320F240是面向電機(jī)控制具有特殊設(shè)計(jì)的DSP，因內(nèi)核具有20MIPS的高速處理能力和面向電機(jī)控制的專(zhuān)用外圍設(shè)備，因此在電機(jī)的全數(shù)字控制中得到了廣泛的應(yīng)用。芯片主要包括F240中央處理單元（CPU）;TMS320F240的外設(shè)包括1）事件管理器;2）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊;3）串行接口模塊;4）系統(tǒng)保護(hù)模塊。利用微處理器來(lái)控制各類(lèi)電機(jī)，不僅能方便的實(shí)現(xiàn)控制電路，并且能完成各種復(fù)雜的、高性能的控制策略。微處理器通過(guò)控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)角，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作，可使電機(jī)的性能有很大的提高。本文以F240為核心，構(gòu)建了系統(tǒng)的外圍硬件，編制了系統(tǒng)控制軟件，最后用實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的全數(shù)字控制的算法。 2 感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理 　　直接轉(zhuǎn)矩控制是將逆變器的控制模式和電機(jī)運(yùn)行性能作為一個(gè)整體，通過(guò)控制感應(yīng)電機(jī)的輸入電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的控制。當(dāng)感應(yīng)電機(jī)是由一個(gè)三相逆變器供電時(shí)，則電動(dòng)機(jī)輸入電壓完全取決于逆變器開(kāi)關(guān)切換模式，而電動(dòng)機(jī)磁通的波形又取決與輸入電壓的模式。因此直接轉(zhuǎn)矩控制的目標(biāo)就是建立磁鏈和逆變器開(kāi)關(guān)模式之間的關(guān)系，通過(guò)控制逆變器開(kāi)關(guān)正確的切換，使電動(dòng)機(jī)氣隙獲得一個(gè)近似圓形的磁場(chǎng)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通過(guò)空間電 　　壓矢量 來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變轉(zhuǎn)差也即磁通角的大小來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。通過(guò)定子磁鏈區(qū)間判斷，磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)三個(gè)功能模塊的輸出來(lái)確定逆變器開(kāi)關(guān)信號(hào)，達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的目的。系統(tǒng)控制基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。分別為定子電壓、電流、定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。 [align=center] 圖1 感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖[/align] 3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)包括定子電流測(cè)量的A/D轉(zhuǎn)換電路、進(jìn)行PI調(diào)節(jié)所需的速度測(cè)量電路、F240的主控制電路以及輸出的PWM脈沖控制的整流逆變主回路。逆變電路采用三菱公司PM50RSA120智能功率模塊。DSP芯片與上位機(jī)的通訊采用RS232總線(xiàn)，F(xiàn)240提供SCI串行通信接口模塊。系統(tǒng)選用MAX232C完成TTL電平（0V，5V）到RS232信號(hào)電平（+12V，-12V）的轉(zhuǎn)換。在F240和主回路之間采用光電隔離，輸出的控制信號(hào)經(jīng)光耦隔離電路傳送至主回路。控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。 [align=center] 圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖[/align] 　　電機(jī)定子相電流的檢測(cè)采用LEM公司的電流傳感器LA25-NP。電流傳感器的輸出經(jīng)運(yùn)算放大器，送到TMS32OF240的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換端口。F240的雙A/D轉(zhuǎn)換電路可同時(shí)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可同時(shí)測(cè)量A、B相電流，獲得實(shí)時(shí)的定子電流值。采樣電路如圖3所示。電機(jī)的測(cè)速采用增量式光電碼盤(pán)，光電碼盤(pán)輸出的兩路互錯(cuò)90º的A、B兩路光電脈沖。將這些脈沖信號(hào)送入TMS32OF240的捕獲單元或正交編碼電路（QEP），檢測(cè)連續(xù)兩次脈沖信號(hào)的邊沿跳變，使能TMS32OF240的內(nèi)部定時(shí)器計(jì)數(shù)，由M/T法得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速測(cè)量電路如圖4所示。 [align=center] 圖3 采樣調(diào)理電路 [/align] [align=center] 圖4 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路[/align] 4 控制算法軟件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)軟件的主程序主要包括對(duì)所用到的變量的初始化，系統(tǒng)各模塊的初始化。等待定時(shí)器T1下溢中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)算法及控制功能。中斷服務(wù)程序如圖5所示。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，CPU指向中斷向量表的相應(yīng)地址，并置位中斷標(biāo)志IFR和EVIFRA，CPU響應(yīng)中斷后，跳轉(zhuǎn)到指定的通用中斷服務(wù)程序，中斷標(biāo)志IFR自動(dòng)清零，并置位中斷方式位INTM，禁止其它所有可屏蔽的中斷。 [align=center] 圖5 中斷服務(wù)子程序流程圖[/align] 　　在中斷程序中，要完成的子程序包括對(duì)反饋信號(hào)（電流、電壓以及轉(zhuǎn)速）的采樣和轉(zhuǎn)換，3/2坐標(biāo)變換，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算以及滯環(huán)調(diào)節(jié)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)的判斷以及脈沖信號(hào)的輸出等操作，實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制算法。輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 　　三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)采用Y形接法，額定功率0.2KW，定子額定電壓380V，頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)速1420r/m。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電流電壓采樣、相電壓計(jì)算、坐標(biāo)變換、定子磁鏈計(jì)算等程序的正確性。當(dāng)設(shè)定定子磁鏈大小為時(shí)，圖6為實(shí)測(cè)的近似圓形的磁場(chǎng);當(dāng)參考轉(zhuǎn)子速度給定為400r/m時(shí)，速度響應(yīng)能在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在設(shè)定值，此時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為4.5N.m。圖7分別為實(shí)際的轉(zhuǎn)子速度與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線(xiàn)。 [align=center] 圖6 近似圓形的磁場(chǎng) 圖7 速度響應(yīng)與輸出轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)[/align] 6 結(jié)論 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：通過(guò)DSP芯片TMS320F240實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的交流調(diào)速控制系統(tǒng)包括控制的外圍電路設(shè)計(jì)，并用匯編指令編寫(xiě)了直接轉(zhuǎn)矩控制算法，實(shí)時(shí)運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)高效的控制算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本數(shù)字化控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的可靠性和靈活性。說(shuō)明了采用全數(shù)字化的DSP芯片以其高速的運(yùn)算能力，成為感應(yīng)電機(jī)交流調(diào)速控制的發(fā)展方向。 參考文獻(xiàn) 　　[1]李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2002 　　[2]李夙.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1999 　　[3]王濤.可視化軟件的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2002,6：24-26 　　[4]王濤,肖建,李冀昆.基于變?cè)鲆婵刂评碚摰母袘?yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)。2006,18（1） 　　[5]李冀昆，高仕斌，王濤.感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究[J].控制工程2004,11（5）