应用DSP的异步电机直接转矩控制系统
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电子工程怿 Ｖ０ｆ．２８ ．６ ２００２
应用ＤＳＰ的异步电机直接转矩控制系统 Ｔｈｅ ＡＣ Ｍｏｔｏｒ Ｓ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ ＤＳＰ 徐州师范犬学工学院 （徐州２２１０１１） 甘电志 陈传虎 【摘要】介绍了ＴＭＳ３２０Ｆ２４０数字信号处理单片机在直接转矩控制系统中的应用， 给出了控制系统的软硬件关键设计。 关键词：直接转矩控制，ＤＳＰ，异步电机 ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ ＤＳＰ ｉｎ ＡＣ ｍｏｔｏｒ Ｓ ：［ｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｉｔｓ ｋｅｙ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｉｓ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ＤＳＰ，ＡＣ Ｍｏｔｏｒ １ 引言 直接转矩控制是一种高性能的交流调速技术， 它直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型， 控制电动机的转矩和定子磁链，简化了系统的结构。 但是直接转矩控制强调转矩和定子磁链控制，对转 矩和定子磁链空间位置计算精度要求很高，因而系 统构成比较复杂，要实现有救的直接转矩控制，高性 能的单片机是必不可少的。德州仪器的 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０数字信号处理单片机专门针对电机 控制系统设计，本文介绍它在直接转矩控制中的应 用。 ２直接转矩控制系统简介 直接转矩控制系统原理图如图１。
圈１直接转矩控制原理图 在图１中，适当控制逆变器的开关 、 、Ｓ （包 括Ｓ 、 、Ｓ下桥臂非门）的状态，就能够得到八种 空间矢量电压，除两种是０矢量外＋另外六种矢量构 成正六边形的六条边，在异步电机上得到旋转的定 收稿日期｛２００２ ０３ ２６ ・ｌ８・ 子空间磁场，并且通过０电压矢量调节定子磁场的 平均旋转速度。 为了得到图１中的正六边形轨迹磁场（用来替 代三相交流电产生的圆形轨迹磁场），确定磁场的空 ｆ 间位置成为重要的工作环节。根据 （ｆ）一Ｊ（ （ｆ） －ｉ 兄）ｄｔ可以求出定子磁场的大小，但为了减少电 压和电流传感器的数量，通常只使用两相传感器，通 过计算再得出另外一相电压和电流。
周２直接转矩控制结构周 ３控制系统的硬件组成 本系统以ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２４０数字信号处 理单片机为核心，控制日本ＦＵＪＩ生产的Ｉ
ＰＭ（智能 维普资讯 http://www.cqvip.com 甘良志，等：应甩ＤＳＰ的异步电机直接转矩控制集境 功率模块），从而把直流电压转换成交流矢量电压， 驱动异步电机运转。其基本工作过程是：首先根据外 部给定的转速和转矩要求，计算出定子磁场的幅值， 然后建立定子磁场，最后施加工作电压产生旋转定 子磁场。因此，我们按照图２的硬件结构结合ＤＳＰ 单片机的特点设计系统。 由于ＴＭＳ３２０Ｆ２４０本身带有Ａ／Ｄ转换器，所 以我们投有必要再外加Ａ／Ｄ转换。同时，电机的转 速采用软件计算获得，因而投有速度检测环节，使系 统硬件最小化
单片机 图３ 系统的硬件框图
图４ １ＰＭ模块使用电路图 ＩＰＭ智能功率模块是集成功率开关元件，在系 统中的位置举足轻重 ＦＵＪｌ生产的６ＭＢＰＳ０ＲＡ０６０ 型ｌＰＭ采用低电平有效触发，在使用过程中要注意 保护。特别要注意１ＰＭ的六个触发脉冲，必须有四 个以上的独立电源。其电路图见图４。 ４ ＤＳＰ处理器扩展设计的说明 Ｆ２４０型号的微处理器专门针对电机控制而设 计，片内集成有许多外设，我们可以利用的有： （１）两个十位的Ａ／Ｄ转换器，每个Ａ／Ｉ）转换器 可以转换八路模拟量，因此，片内共有十六路Ａ／Ｄ 转换通道，不需Ａ／Ｄ转换扩展。 （２）１６ｋ的闪存ＥＥＰＲＯＭ，可以直接作为程序 存储器，不需要程序存储器扩展。 （３）数字ｌ／Ｏ接口，在适当写人ＩＯＳＲ寄存器 时，可以当作输人输出接口使用，在本系统中，由于 直接从１／Ｏ接口输出控制矢量，并且要求控制矢量 能够延续一个控制周期，所以我们对１／Ｏ接口外加 了锁存器。其电路图见图５。 １Ｓ Ａ３ Ａ０ Ａｌ Ａ２ Ｆ２４０ ｗＥ Ｇ２Ａ Ｇ２Ｂ ｒｔＯ
图５扩展锁存嚣电路图 （４）尽管Ｆ２４０内部有产生脉冲信号的ＰＷＭ 发生器，但是不便于在任意时刻产生任意方向的控 制矢量，因而放弃使用。 （５）其它如定时器等，后文给出了软件代码。 ５控翩系统的软件设计 根据实际硬件设计和完成控制任务的需要，我 们首先要求出ｌＰＭ模块的开关频率和定时器的定 时长度。１ＰＭ模块的工作频率为１００ｋＨｚ，所以定时 器的中断间隔应为１０ｕｓ 根据定时器中断频率计算 公式： １ １ ７１Ⅲ７１速率一 Ｘ Ｌ＿ 而１ 面同 Ｆ＿ ｌ＿ ｆｃＬＫｍ （ ＤＤＲ＋１）×（ＰＲＤ＋１） （下特第４３页） ・１９・ 招一 ⅥⅥ ¨＂ ＂
维普资讯 http://www.cqvip.com 她＊太，等：一对无线智能蜒警亲境 单元软件两部分，每部分的程序皆采用模块化结构。 系统告警单元软件由告警单元主程序、告警发射子 程序、看门狗监控子程序、蜂鸣器报警子程序、延迟 子程序等组成；系统中央处理单元软件由中央处理 单元主程序、告警号码置人子程序、告警号码读出子 程序、告警接收子程序、液晶模块显示子程序、拨号 子程序、看门狗监控子程序、蜂鸣器报警子程序、延 迟子程序等组成。主要程序的流程图见图７和图８。 告警单元主程序处于中断工作方式，其在完成 系统初始化后开始等待中断响应产生，如果传感器 探测到感应源，则程序向下执行，无线发出一个具有 特定含义的编码脉冲串，反之则等待。中央处理单元 主程序处于查询工作方式，其在完成系统初始化后 开始循环检测接收缓冲器，如果有数据接收到，程序 便向下执行开始拨号告警；若无数据接收到，则等 待。这里告警单元和中央处理单元之间采用异步串 行工作方式。预先要多置人几个告警号码，以便当所 拨线路占线时迅速拨打其它的号码 还需要特 ４指 出的是，由于公共电话网络的响应速度有限，在摘机 与拨号之间以及拨相部两个号码之间要有足够的时 间延迟。 参考文献 １何立民．ＭＣＳ一５１系列单片机应用系统设计．北京：北京 航空航天大学出版杜，１９９０ ２陈龙三 ８０５１单片机ｃ语言控制与应用．北京：清华大 学出版杜，２０００ ３张智荣等．智能化流量计量系统研究与开发．电子技术应 用，２００１（２）●
（上接第１ ９页） ｌ Ａ，Ｄ转拱噶Ｉ扣始他Ｉ 臣 ｌ ｔ立相始电机越墙１
读＾电流 电压 遗廑 电渡．电压坐标变换ｌ ｌ确定空闻越墙位置 ｌ 翔断下一胃翦控一矢量 人 ‘： ／翟序培柬？＼＞ ＼／ ●Ｎ ｌ等格宦对蕾Ｉ中蝻ｌ 可以计算出ＰＲＤ和 ＴＤＤＲ的值，他们分别对 ＰＳＣ和Ｔ１Ｍ进行加载。 式中Ｔ１ＮＴ指定时器中 断，ＰＲＤ指定时器周期 寄存器，ＴＤＤＲ指定时器 清除寄存器，ＰＳＣ指定时 器前置分频计数器， （ｃｏ）为时钟周期 图６给出了系统软 件流程图，下面给出定时 器（ｔｉｍｅｒ）使用的源程序 代码： ｃｌｒｃ ＣＮＦ｛把Ｂ０映射为数据 存储块 ［ｄｐ茸Ｏｈ ｐＤＰ＝０ ｓｅｔｃ ＩＮＴＭ；关闭所有 中断 ｓｐｌｋ＃００００ｈ，６０ｈ｝ ● ｏｕｔ ６０ｈ，ｗｓｇｒ ｌ设置为０ 图６ 系统的软件框图局期等待 ｓｐｌｋ ０ｆｉｆｔｈ，ｉｆｒ｝清除中断 ｓｐｌｋ＃０００４ｈ，ｉｍｒ ｆ开定时器中断 ｓｐｌｋ＃０ｅＯＯｅｈ．６０ｈ｛ ｏｕｔ ５Ｏｈ，ａｓｐ盯； ＩＴｋａＦ＊，８１＂１ ｌａｒ＃ａｒ１一茸１．ｘｂｕｆ： ｓｐｌｋ＃０００４ｈ，６１ｈ｝ ｓｐｌｋ＃０００８ｈ，６２ｈ｝ ｏｕｔ ６ｌｈ，ｉＯｓｒ； ｓｐｌｋ＃００２ａｈ，６３ｈ ｆ ｓｐｔｋ＃０１ｆｆｈ，６４ｈ： ｏｕｔ ６４ｈ，ｐｒｄ ｆ设置ＰＲＤ＝Ｏｘ０１ｆ ｏｕｔ ６３ｈ，ｔｉｍ ｌ设置ＴＩＭ＝０ｘ００２ａ ｓ口ｌｋ＃０ｃ２ｆｈ，６４ｈ ｆ ｏｕｔ ｆｉ４ｈ，ｔｃ１．｝启动定时器 ｃｌｒｃｉｎｔｍ； ６结束语 近年来，交流调速发展迅猛，大有取代直流诃速 之势。交流诃速的控制理论日趋完善，高性能的单片 机又为这些理论的实践提供了硬件保障 本系统采 用直接转矩控制策略，尽量减少硬件投入，不仅大大 节省了硬件成本，而且可靠性高，调速性能良好。 参考文献 １季夙．异步电机直接转矩控箭．北京：机械工业出版杜， １９９９ ２张芳兰．ＴＭＳ３２０Ｃ２ｘｘ用户指南出版．北京：电子工业出 版杜，１９９９，６ ３甘良志等．采用模糊控制器的直接转矩控嗣系统仿真．继 电器，２：００１（１１）●
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