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基于DSP的无速度传感器直接转矩控制系统设计

2008-02-14 嵌入式在线收藏 | 打印

1．引言

20世纪80年代德国M?Depenbrock教授首次提出了异步电动机直接转矩控制(DTC)的理论，它是交流电气传动领域中继矢量控制之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。

它具有转矩响应快、控制结构简单、易于实现全数字化等优点。在高性能异步电机控制系统中，速度闭环是必不可少的，速度反馈量的检测大多采用光电脉冲编码器，由于速度传感器的安装，一方面增加了整个控制系统的成本，影响了检测精度，降低了系统的可靠性；另一方面在某种程度上也破坏了笼型电机简单、牢固等特性，因而，无速度传感器技术成为目前交流传动的一大发展方向。TMS320F812芯片是美国TI公司推出的又一高性能数字信号处理器，本文介绍它在直接转矩控制中的应用。

2．直接转矩控制的原理

根据电机的统一理论，电机转矩公式为：,显然转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和磁通角θrs的正弦的乘积成正比，在实际运行中，一般控制的幅值为恒定值，以便允分利用电动机铁芯；而的幅值主要由负载决定。如果要改变异步电机转矩的大小，可以通过改变磁通角θrs来实现。在直接转矩控制系统中，就是通过选择合理的非零矢量和零矢量的作用次序和时长，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变为转矩角θrs的大小，以实现对电机转矩的控制的。

3．控制系统硬件设计

无速度传感器直接转矩控制系统各部分的结构和计算方法已经确定，这些方法将在以TI公司的DSP(TMS320F2812)为主体构成的系统中得以实现。所有控制算法的实现和实用化均不能离开硬件系统，本节主要介绍系统硬件电路的设计与实现。基于DSP的无速度传感器直接转矩控制系统硬件结构如图1所示。

3.1 TMS320F2812控制核心介绍

TMS320F2812芯片是TexasInstruments公司生产的32位定点数字信号处理器TMS320C28X中的一种，它采用先进的改进型哈佛结构，其程序存储器和数据存储器具有各自的总线结构，从而它的处理能力达到最大，它的指令执行速度为150MIPS，这种高性能使复杂控制算法的实时执行成为可能，同时，该CPL支持基于C／C++编程，作为一个系统的管理者，DSP必须具有强大的片内I／O端口和其他外围设备。C28X应用优化的外围设备单元和高性能的DSP内核一起，使所有类型电机的高精度、高效、全变速控制中使用先进的控制技术成为可能。

3.2 主电路设计

主电路的整流部分采用不可控整流，优点是这种整流方式对电网的干扰很小。主电路的直流侧使用大电容滤波，而不使用电感，一是因为它体积太大、价格昂贵，二是因为它是恒流型的，不能输出相对恒定的电压，后级的逆变器将不容易受控制。主电路的整流滤波电路设计如图2。

3.3 逆变电路的设计

本课题采用了三菱公司的PM50RSD120模块(7单元，50A，1200V)，其内部结构中有六个单元为正常驱动输出电路的1GBT，另外一个单元是为系统制动提供的制动单元。该IPM模块具有三路输出端子，U、V、W，直流输入P、N和制动时需要的B(Brake)，另外还有控制端子19个，分为四组，分别控制三个上桥臂、制动单元和三个下桥臂。

IPM的故障信号输出FO通过光电耦合器接到DSP的PDPINT端口，在IPM发生故障时，DSP能够及时把所有事件管理器输出脚都设置成高阻状态，禁止PWM信号输出，对系统进行保护。IPM要正常工作，至少需要4个相互独立的驱动电源。U、V、W三相的上桥臂各1个，U、V、W的下桥臂共用1个，所以要4个相互独立的驱动电源，此电源给IPM的驱动电路供电，要求电压15V。图3就是此4个电源的其中1个电源的设计原理图。

由DSP产生的六路PWM信号需要经隔离后再输入1PM。隔离的器件很多，有各种变压器、光耦、光纤、霍尔元件等等，由于控制信号是数字信号，所以在此选择光耦，一方面是它的体积非常小，同一般的小电阻、小电容体积相当，另一方面，它的使用和联接方便，它是一个无源型的，一端输入，另一端输出。为了避免DSP工作不正常时IPM的上下桥臂产生“直通”现象，在每一对PWM信号先加上互锁电路，然后到隔离驱动和电平转换再送IPM的控制端。光耦用快速的6N137，以保证隔离信号响应快，输出信号好。图4是IPM的其中1路输入信号的电路原理图。

3.4 采样电路的设计

由于本课题三相异步电机采用无中线三相对称星形连接，有ia+ib+ic=0，所以只需要检测两相定子电流信号ia、ib，就可得到定子三相电流的信号。由于DSP的A／D转换芯片要求单极性的0—5V的电压信号，因此外部检测的模拟输入信号必须先进行转换满足此要求，方能进行正确AD采样。本课题电流检测采用霍尔电流传感器LEM，其优点是测量精度高、线性度好，可以做到无接触测量。霍尔电流传感器选用深圳逝威电气公司的传感器，型号为CSK7-5A。

由于采用了逆变器的开关数学模型，因此只需要检测直流母线电压。本系统采用直接测量法来测量主电路的直流电压。即采用分压后，并限定其值在0～05V之间，再送往DSP的AD输入通道。考虑到电气隔离，选用隔离放大器来实现电机与控制系统的电气隔离，电路原理如图6所示，其中隔离放大器采用Burr-Brown公司的ISO124，该芯片是一款适合于电机控制的高精度隔离放大器，线性度高，温漂小。分压电阻采用精密金属膜电阻和精密电位器微调到合适范围。

3.5 PC机与DSP的通信

DSP通过SCI串行通信模块实现与上位机的相接，RS-232是美国电子工业协会(EIA)指定的一种串行总线的物理接口标准，此标准规定了串行通信中主控模板和从属模块之间的物理连接线路的机械、电气、功能和过程特性，两端都必须遵循的共同约定。其标准总线为25线，但实际中常用简化了的9线接口或者是本设计中采用的3线(地线、发送线、接收线)传送的方式。

本系统采用厂符合RS-232标准的驱动芯片SP3223FEY，由于该芯片是+3.3V～5V供电，所以可以与TMS320F2812的相关引脚直接连接。硬件连接图如图7。

4．软件设计

系统的控制算法在中断服务子程序中实现。定时器1下溢中断判断足决定控制算法是否运行的一个关键环节。系统利用通用定时器T1下溢中断均匀采样。