应用DSP的异步电机直接转矩控制系统

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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，要实现有效的直接转矩控制，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。

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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。

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                                                                    图1  直接转矩控制原理图

   　 在图1中，适当控制逆变器的开关Sa、Sb、Sc（包括Sa、Sb、Sc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），确定磁场的空间位置成为重要的工作环节。根据－isRs）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。

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IPM（智能功率模块），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。

                                                                     图2  直接转矩控制结构图

由于TMS320F240本身带有A／D转换器，所以我们没有必要再外加A／D转换。同时，电机的转速采用软件计算获得，因而没有速度检测环节，使系统硬件最小化。

1 r; J# L4 d* a( Y9 L: m8 c9 j图3  系统硬件框图

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                                                          图4  IPM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。FUJI生产的6MBP50RA060型IPM采用低电平有效触发，在使用过程中要注意。

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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／D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I／O接口，在适当写入IOSR寄存器时，可以当作输入输出接口使用，在本系统中，由于直接从I／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I／O接口外加了锁存器。其电路图见图5。

                                                                 图5  扩展锁存器电路图

　     （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　控制系统的软件设计

    　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IPM模块的开关频率和定时器的定时长度。IPM模块的工作频率为100kHz，所以定时器的中断间隔应为10μs。根据定时器中断频率计算公式：

可以计算出PRD和TDDR的值，他们分别对PSC和TIM进行加载。式中TINT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，tc（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

   　 ldp＃0h；DP＝0

　   setc INTM；关闭所有中断

  　  splk＃0000h，60h；

  　  out 60h，wsgr；设置为0

    　周期等待

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                                                                      图6  系统的软件框图

6　结束语

  　  近年来，交流调速发展迅猛，大有取代直流调速之势。交流调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。

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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

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交流调速发展迅猛，大有取代直流调速之势

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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