高性能DSP在直接轉矩控制系統中的應用序

4 基于TMS320F2812的直接轉矩控制系統

　　由于DSP的優越性能，它可被用于數字化控制中，現介紹一個基于TMS320F2812 DSP 的直接轉矩控制系統，其方框圖[3>如圖3所示。

4.1 系統組成及其控制原理
　　系統主要由交流電源、整流濾波電路、逆變模塊IPM、交流異步電動機M、TMS320F2812DSP芯片、電壓電流檢測電路、PWM脈沖及光耦電路、光電編碼器、鍵盤顯示及上位機組成。
DSP接收到PC上位機發出的輸入信號后，將其轉換為PWM輸出，經過PWM脈沖電路驅動放大后送給逆變器，逆變器的輸出信號接到三相異步電機的定子繞組。從DSP輸出的PWM脈沖可以控制逆變IPM模塊電路的開關狀態，而逆變器開關狀態的改變，可在電機定子上形成旋轉的電壓空間矢量。通過工作電壓空間矢量和零矢量的交替選擇，可以控制定子磁鏈的走走停停，這樣磁通角（定子磁鏈和轉子磁鏈的夾角）的大小也相應地隨之改變，從而達到直接控制電動機轉矩的目的。光電編碼器檢測電機的轉動方向及轉角，其輸出信號反饋回DSP的正交編碼脈沖電路（QEP），形成閉環控制，實時有效地控制電動機。
4.2 系統核心—TMS320F2812 DSP控制器
　　整個系統以TMS320F2812為核心，所有復雜的控制算法及控制策略都是通過TMS320F2812控制器來實現的。從圖3知，該系統涉及到DSP的大部分集成外設，如:事件管理器EV、串行通訊接口SCI、串行外設接口SPI、模數轉換器ADC、PWM發生模塊以及JTAG仿真接口等。下面簡單介紹各模塊的功能。
（1） 事件管理器EV
　　它是一個專門為控制系統（運動控制和電機控制）設計的模塊，包括通用定時器（GP）、全比較單元、捕獲單元和正交編碼脈沖電路（QEP）等四個基本單元。在該系統中，利用正交編碼脈沖電路（QEP）對引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（EVB）上的正交編碼脈沖進行解碼和計數，直接處理光電編碼盤的正交編碼脈沖，通過檢測2路信號的相位關系可以判斷電機的位置和速度信息。此外，事件管理器內部有PWM發生電路，可產生PWM波形，用于控制逆變器開關的通斷時間。
（2） 串行通訊接口SCI
　　TMS320F2812設有雙通道異步串行外設通信口（包括SCIA和SCIB，24x系列中只有一個SCI），在該系統中它與RS-232 或者RS-485等標準接口相接，用于DSP的CPU與PC上位機之間的數字通信。支持半雙工、全雙工等通信模式。
（3） 串行外設接口SPI
　　SPI是一個高速同步串行I/O口，在該系統中SPI連接DSP控制器和顯示器，用于DSP和外部外設之間的數據通信。典型應用還包括作為外部I/O或用于對外設（ADC、顯示驅動器等）進行擴展。
（4） 模數轉換器ADC
　　ADC模塊是一個帶采樣/保持電路的12位模數轉換器，具有自動排序能力，一次最多可執行16個通道的自動轉換。它的轉換速度很快，在25MHz的ADC時鐘時，執行一次轉換操作時間為80ns[4>，比F2407快得多。該系統采用一個電壓傳感器和兩個電流傳感器，通過檢測逆變器前端的母線電壓Udc，經ADC采樣后可根據當前的開關狀態計算逆變器輸出電壓的usα和usβ分量;同時，電機的兩相電流由電流傳感器檢測后也經ADC模塊采樣，再經過3/2變換，可求出電流分量isα和isβ，最后根據有關公式可算出磁鏈和轉矩的大小。
（5） JTAG仿真接口
用于系統的在線仿真和測試。
4.3 逆變模塊IPM
　　為了提高逆變電路的可靠性，系統采用日本三菱的IPM智能模塊，型號為PM25RSB120，其內部有7只IGBT，除用于三相橋臂外，另外一只可做泵升電壓的旁路開關。IPM不僅將功率器件IGBT和驅動電路集成在一起，而且對過流、過壓、過熱以及控制電壓欠壓等故障具有自動保護的功能，是一種故障率低、又可使裝置小型化和輕量化的功率器件，還可以大大降低輸出電壓低次諧波的含量。當檢測信號之一不正常時，DSP迅速將PWM輸出端設為高阻，封鎖脈沖輸出，從而進行有效保護。
　　為避免DSP工作不正常時IPM的上下橋臂“直通”現象，在每對PWM信號先加互鎖電路，然后到隔離驅動和電平轉換再送IPM的控制端，如圖4所示[5>。

　　IPM采用四組獨立的15V驅動電源供電，光耦用快速6N137，以保證隔離信號響應快，輸出信號好。系統中的其它模塊在此不作介紹。

5 結束語

　　基于TMS320F2812的高性能直接轉矩控制系統，充分利用TMS320F2812運算速度快、處理能力強、實時性好和高度集成等優點，系統結構簡單可靠、控制精度高、動態響應快，是高效的交流調速控制系統。另外TMS320F2812具有體積小、功能全、可靠性高、成本低、可擴展性強等特點，可廣泛應用于工業數據采集和控制等應用領域，同時它也為實現數字化控制提供了有效的途徑。