摘要：針對交流異步電機的特性,，設(shè)計了一套基于DSP的交流異步電機高精度調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用矢量控制技術(shù)作為系統(tǒng)的總體控制方案,，以TI公司電機控制專用的高速數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F2812為系統(tǒng)的核心處理器,，三菱電機公司的PS21246智能功率模塊(IPM)為逆變器件，在此基礎(chǔ)上運用空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)和模糊PI控制算法,，構(gòu)建了一個基于TMS320F2812 DSP的交流異步電機高精度控制平臺,。
關(guān)鍵詞：DSP；IPM,；矢量控制,；SVPWM；模糊PI

    近20年來,，隨著新型電力電子器件的出現(xiàn),，控制器也實現(xiàn)了從8位單片機到32位DSP的轉(zhuǎn)變，特別是新型控制方法的出現(xiàn),，如：矢量控制,、直接轉(zhuǎn)矩控制以及模糊控制等，使得高精度交流異步電機調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)成為可能,。矢量控制具有轉(zhuǎn)矩平滑,，調(diào)速范圍寬的特點?？臻g矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(space vector PWM,，SVPWM)物理概念清晰，電機脈動轉(zhuǎn)矩小,，直流電壓利用率高,，且易于實現(xiàn)。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于DSP的高精度交流調(diào)速系統(tǒng),，系統(tǒng)采用高速DSP芯片TMS320F2812作為核心,，基于矢量控制與SVPWM相結(jié)合的控制方式，利用TMS320F2812芯片的事件管理器模塊(event manager,，EV)產(chǎn)生對稱SVPWM脈沖,，逆變器則采用智能功率模塊(intelligent power module，IPM),，保證了系統(tǒng)可靠性,。在此基礎(chǔ)上綜合模糊PI控制算法,，最終設(shè)計并構(gòu)建了基于DSP的高精度交流調(diào)速系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計
    系統(tǒng)為基于高性能處理器的全數(shù)字交流調(diào)速系統(tǒng),，利用處理器實現(xiàn)對電機的速度環(huán)和電流環(huán)控制,，與傳統(tǒng)的模擬調(diào)速系統(tǒng)相比，有著結(jié)構(gòu)簡單,、功能靈活多樣,、抗干擾能力強等優(yōu)點。圖1為交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖,。

    系統(tǒng)由弱電控制,、強電驅(qū)動以及信號采集3部分組成。弱電控制部分是系統(tǒng)的控制核心,，其完成對電機的控制、信號量的設(shè)定,。強電驅(qū)動部分是由逆變電路,、三相整流橋和三相交流電源組成，其將不可控的三相交流電轉(zhuǎn)化為頻率可控的三相交流電來驅(qū)動電機,。信號采集部分則由電流,、測速傳感器組成，負(fù)責(zé)對電機進(jìn)行電流和轉(zhuǎn)速的檢測,，為系統(tǒng)提供反饋信號,。以上3部分有機的組合在一起就構(gòu)成了一個高精度交流電機調(diào)速系統(tǒng)。

2 主要硬件芯片的選型及相關(guān)電路設(shè)計
2．1 DSP芯片的選型
    主處理器選擇了TI(美國德州儀器)公司的TMS320F2812芯片,，F(xiàn)2812是TI公司的一款用于控制的高性能,、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片,，最高可在150 MHz主頻下工作,。F2812片內(nèi)集成眾多資源：存儲資源FLASH、RAM,；標(biāo)準(zhǔn)通信接口,，如串行通信接口(SCI)、串行外設(shè)接口(SPI),、增強型eCAN總線接口,，方便與外設(shè)之間進(jìn)行通信。在F2812內(nèi)部還集成了一個12位的ADC轉(zhuǎn)換模塊,，最高采樣速率達(dá)12．5 MS／s,；F2 812片上還包括事件管理器(EV)、定時器,、看門狗以及大量的用戶可開發(fā)利用的GPIO口等資源,。該芯片具有很高的性價比,，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，特別是應(yīng)用于處理速度,、處理精度方面要求比較高的領(lǐng)域,，十分適合于本文的高精度電機控制系統(tǒng)。
2．2 逆變電路
    逆變電路將整流后的直流電變成可控的交流電,，考慮系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性要求,，此部分采用模塊化的設(shè)計思想，即選擇智能功率模塊IPM作為功率器件,。
    IPM是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件,，具有高電流密度、低飽和電壓,、耐高壓,、高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率等優(yōu)點,。IPM內(nèi)部集成了邏輯,、控制、檢測和保護(hù)電路,，不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時間,，也增強了系統(tǒng)的可靠性。
   系統(tǒng)采用了日本三菱電機的PS-21246系列的IPM智能功率模塊,。當(dāng)IPM發(fā)生故障時,，F(xiàn)O引腳輸出低電平，產(chǎn)生PDPINT功率保護(hù)中斷,，實現(xiàn)保護(hù),。
2．3 高速隔離電路
    為實現(xiàn)低壓數(shù)字電路和高壓功率電路之間的電氣隔離，通常采用光耦隔離,，另外,，由于SVPWM算法輸出信號頻率較高，需要反應(yīng)速度較快的光耦,，普通的P521光耦無法滿足速度要求,，故設(shè)計中采用的是一款專用的IPM驅(qū)動芯片HCPL-4504。
    HCPL-4504是美國安捷倫公司專為IPM等功率器件設(shè)計的高速光電隔離接口芯片,，瞬間共模比為15 kV／μs,，內(nèi)部集成高靈敏度光傳感器，可以準(zhǔn)確,、快速反應(yīng)信號變化狀況,，極短的寄生延時合適于IPM，是功率器件接口的完美解決方案,。
2．4 電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路
    由于HCPL-4504需要的的驅(qū)動電流為16 mA,，而DSP為3．3 V TTL電平標(biāo)準(zhǔn),，其輸出的電流只有nA數(shù)量級，因而無法直接驅(qū)動,。因此,，系統(tǒng)需要增設(shè)電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路，如圖2所示,。

    選用的芯片SN74ALVC164245是TI公司推出的一款3態(tài)輸出電平轉(zhuǎn)換芯片,，提供2×8道的3．3 V轉(zhuǎn)5 V(反之亦可)的電平轉(zhuǎn)換接口，最大可輸出24 mA電流,，其中A端為5 V電平,，B端為3．3 V電平。
2．5 霍爾電流傳感器
    霍爾電流傳感器是利用霍爾效應(yīng)來測量電流的,，不僅能測直流電流,，也能測交流電流，測量精度和量程比電流互感器高,，受溫度影響很小,，且不會產(chǎn)生電流過載?；魻栯娏鱾鞲衅鞯墓臉O低，這是其他互感器無法達(dá)到的,。系統(tǒng)采用QBC-SY／SYW系列閉環(huán)霍爾電流傳感器,，該系列電流傳感器的初、次級之間是絕緣的,，具有超強抗干擾能力,，用于測量直流、交流和脈動電流,。交流互感器連接圖如圖3所示,。

    該款傳感器集成了調(diào)理電路，在最大可測量輸入電流3 A條件下,，輸出電壓4 V,。由于驅(qū)動電機的額定輸入電流為1．12 A，所以其最大輸出電壓可達(dá),，但這并不符合TMS320F2812的輸入要求,，故還需要另加上一組信號調(diào)理電路，將輸出電壓從±1．5 V調(diào)理到0～3 V,，才能符合DSP內(nèi)部3．3 V A／D參考電壓的要求,。
    信號調(diào)理電路需使用RC 4558和TLV431兩種芯片，其中RC 4558為雙路高性能運放,；TLV431為低壓可調(diào)精密分流穩(wěn)壓器,，用作輸出一個1．5 V的恒定電壓供給信號調(diào)理電路使用,。信號調(diào)理電路工作原理為：當(dāng)電壓信號輸入時，先利用放大器作一級跟隨處理,，然后進(jìn)行反相,，最后進(jìn)行加法運算。具體電路圖如圖4所示,。

2．6 旋轉(zhuǎn)編碼器
    為了實現(xiàn)矢量控制,，就必須對電動機的實際轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，因為TMS32F2812本身的事件管理器中有正交編碼脈沖電路,，用于連接光電編碼脈沖以獲得旋轉(zhuǎn)機械的位置和速率,，方案中轉(zhuǎn)速測量就采用旋轉(zhuǎn)編碼器。
    系統(tǒng)綜合考慮后選擇了ELTRA公司的EL40A1024Z5增量式編碼器作為系統(tǒng)得測速單元,。其分辨率達(dá)到了1 024脈沖／轉(zhuǎn),，帶有零脈沖，輸出電平為NPN集電極開路輸出,，可直接連接DSP,，測量轉(zhuǎn)速最高可達(dá)6 000轉(zhuǎn)。
    TMS320F2812有兩個事件管理器(EVA,、EVB),，每個事件管理器(EV)模塊都有一個正交編碼器脈沖(QEP)電路，它們可以直接與編碼器相連,，用來檢測轉(zhuǎn)速,。如果電路被使能，那么可以對從CAP1／QEP1和CAP2／QEP2(EVA)或CAP4／QEP3和CAP5／QEP4(EVB)引腳上輸入的正交編碼脈沖進(jìn)行解碼和計數(shù),。當(dāng)QEP電路被使能,，CAP1／CAP2和CAP4／CAP5引腳上的捕獲功能將被禁止。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,，可以分為2個部分,；主程序和中斷服務(wù)子程序。
    主程序中對硬件和變量進(jìn)行初始化,，對各個控制寄存器置初值,，對運算過程中使用的各種變量分配地址并設(shè)置相應(yīng)的初值。初始化模塊僅在DSP上電復(fù)位后被執(zhí)行一次,，然后進(jìn)入循環(huán)等待時期,，如圖5所示。

    中斷服務(wù)子程序是系統(tǒng)的核心部分,，包括PWM中斷服務(wù)子程序,，故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序，串行中斷服務(wù)子程序,。其中PWM中斷服務(wù)子程序負(fù)責(zé)對電流A／D轉(zhuǎn)換,、速度計算,、矢量變換、SVPWM輸出等,。故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,，將會立即禁止PWM輸出。串行中斷服務(wù)子程序則負(fù)責(zé)DSP與PC上位機之間的通信,，如圖6所示,。

    初始化之后，系統(tǒng)的運行交由中斷服務(wù)子程序控制,。PWM中斷服務(wù)子程序負(fù)責(zé)兩相定子電流的采樣,，轉(zhuǎn)速的計算，矢量變換以及SVPWM調(diào)制,，是系統(tǒng)實現(xiàn)矢量控制的核心部分,。系統(tǒng)采用模塊化編程，把PWM中斷服務(wù)子程序分為電流采樣模塊,，電機轉(zhuǎn)速計算模塊,，矢量控制坐標(biāo)變換模塊，模糊PI調(diào)節(jié)模塊,，SVPWM調(diào)制模塊,。

4 結(jié)語
      針對交流調(diào)速的特點，設(shè)計了一套基于DSP的交流異步電機高精度調(diào)速系統(tǒng),。該系統(tǒng)應(yīng)用矢量控制技術(shù)作為系統(tǒng)的總體控制方案,，以TI公司電機控制專用的高速DSP TMS320F2812為系統(tǒng)的核心處理器，三菱電機公司的PS21246智能功率模塊(IPM)為逆變器件,，在此基礎(chǔ)上運用空間電壓矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)技術(shù)和PI控制算法,，構(gòu)建了一個基于TMS320F2812 DSP的交流異步電機高精度控制平臺,。實驗表明，系統(tǒng)基本滿足高精度調(diào)速要求,，十分適合于伺服控制系統(tǒng),。