关键词：DSP;感应电机;直接转矩控制;数字控制
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是面向电机控制具有特殊设计的DSP，因内核具有20MIPS的高速处理能力和面向电机控制的专用外围设备，因此在电机的全数字控制中得到了广泛的应用。芯片主要包括F240中央处理单元（CPU）;TMS320F240的外设包括1）事件管理器;2）模数转换模块;3）串行接口模块;4）系统保护模块。利用微处理器来控制各类电机，不仅能方便的实现控制电路，并且能完成各种复杂的、高性能的控制策略。微处理器通过控制电机的电压、电流、转矩、转速以及转角，使电机按给定的指令准确工作，可使电机的性能有很大的提高。本文以F240为核心，构建了系统的外围硬件，编制了系统控制软件，最后用实验实现感应电机的全数字控制的算法。
2 感应电机直接转矩控制原理
直接转矩控制是将逆变器的控制模式和电机运行性能作为一个整体，通过控制感应电机的输入电压来实现对电动机定子磁链的控制。当感应电机是由一个三相逆变器供电时，则电动机输入电压完全取决于逆变器开关切换模式，而电动机磁通的波形又取决与输入电压的模式。因此直接转矩控制的目标就是建立磁链和逆变器开关模式之间的关系，通过控制逆变器开关正确的切换，使电动机气隙获得一个近似圆形的磁场。在直接转矩控制中，通过空间电
压矢量 来控制定子磁链的旋转速度，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转差也即磁通角的大小来控制电动机的转矩。通过定子磁链区间判断，磁链滞环调节、转矩滞环调节三个功能模块的输出来确定逆变器开关信号，达到控制电机的转速和转矩的目的。系统控制基本结构如图1所示。
分别为定子电压、电流、定子磁链和电磁转矩。
图1 感应电机控制系统框图
3 系统硬件结构
实现控制系统的硬件电路结构包括定子电流测量的A/D转换电路、进行PI调节所需的速度测量电路、F240的主控制电路以及输出的PWM脉冲控制的整流逆变主回路。逆变电路采用三菱公司PM50RSA120智能功率模块。DSP芯片与上位机的通讯采用RS232总线，F240提供SCI串行通信接口模块。系统选用MAX232C完成TTL电平（0V，5V）到RS232信号电平（+12V，-12V）的转换。在F240和主回路之间采用光电隔离，输出的控制信号经光耦隔离电路传送至主回路。控制系统构成如图2所示。
图2 控制系统硬件框图
电机定子相电流的检测采用LEM公司的电流传感器LA25-NP。电流传感器的输出经运算放大器，送到TMS32OF240的高速模数转换端口。F240的双A/D转换电路可同时对两路信号进行转换，可同时测量A、B相电流，获得实时的定子电流值。采样电路如图3所示。电机的测速采用增量式光电码盘，光电码盘输出的两路互错90º的A、B两路光电脉冲。将这些脉冲信号送入TMS32OF240的捕获单元或正交编码电路（QEP），检测连续两次脉冲信号的边沿跳变，使能TMS32OF240的内部定时器计数，由M/T法得到电机的转速。转速测量电路如图4所示。
图3 采样调理电路
图4 转速测量电路
4 控制算法软件设计
系统软件的主程序主要包括对所用到的变量的初始化，系统各模块的初始化。等待定时器T1下溢中断，进入中断服务子程序实现算法及控制功能。中断服务程序如图5所示。当中断发生时，CPU指向中断向量表的相应地址，并置位中断标志IFR和EVIFRA，CPU响应中断后，跳转到指定的通用中断服务程序，中断标志IFR自动清零，并置位中断方式位INTM，禁止其它所有可屏蔽的中断。
图5 中断服务子程序流程图
在中断程序中，要完成的子程序包括对反馈信号（电流、电压以及转速）的采样和转换，3/2坐标变换，磁链和转矩的计算以及滞环调节，开关状态的判断以及脉冲信号的输出等操作，实现直接转矩控制算法。输出信号实现对电机的控制。
5 实验结果
三相感应电动机采用Y形接法，额定功率0.2KW，定子额定电压380V，频率50Hz，额定转速1420r/m。通过实验验证了电流电压采样、相电压计算、坐标变换、定子磁链计算等程序的正确性。当设定定子磁链大小为
时，图6为实测的近似圆形的磁场;当参考转子速度给定为400r/m时，速度响应能在一个较短的时间内稳定在设定值，此时电机的输出转矩为4.5N.m。图7分别为实际的转子速度与电机输出转矩响应曲线。
图6 近似圆形的磁场
图7 速度响应与输出转矩曲线
6 结论
本文作者创新点：通过DSP芯片TMS320F240实现了全数字化的交流调速控制系统包括控制的外围电路设计，并用汇编指令编写了直接转矩控制算法，实时运算能力实现高效的控制算法，实验结果验证了本数字化控制系统具有优良的可靠性和灵活性。说明了采用全数字化的DSP芯片以其高速的运算能力，成为感应电机交流调速控制的发展方向。
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