摘要：針對某型直流電機調(diào)速系統(tǒng)的要求,，采用TMS320LF2407A和AT89C51設(shè)計一種雙核直流電機閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。TMS320LF2407A采集和調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速信號,，AT89C51輸入給定轉(zhuǎn)速并顯示電機轉(zhuǎn)速,。給出系統(tǒng)硬件原理框圖和程序流程。試驗結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快,、控制精度高,、實時顯示、數(shù)據(jù)存儲等優(yōu)點,。
關(guān)鍵詞：TMS320LF2407A,；AT89C51；閉環(huán)調(diào)速,；實時顯示,；數(shù)據(jù)存儲
直流電動機以其良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能,、高質(zhì)高效平滑運轉(zhuǎn)特性,，一直在速度和位置控制方面處于主導地位，尤其是調(diào)速性能其他電動機無法比擬的,。目前采用全控型電力電子器件進行脈寬調(diào)制(PWM)控制方式已成為直流電動機數(shù)字控制的基礎(chǔ),。由于DSP具有運算速度高，死區(qū)時間的PWM輸出,，實現(xiàn)諸如模糊控制等復雜算法,，外圍硬件少等優(yōu)點，因此廣泛用于電機數(shù)字控制,。這里采用MS320LF2407A型DSP和AT89C5l單片機為核心設(shè)計一種針對直流電機的全數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng),。
1 TMS320LF2407A簡介
圖1為TMS320LF2407A內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖，該器件采用先進的哈佛結(jié)構(gòu),，流水線作業(yè),，在30 MHz的內(nèi)部時鐘頻率下，指令周期僅33 ns,。由于其內(nèi)部具有硬件乘法器,，一個周期內(nèi)即可完成16x16的算法，僅需33 ns,。該器件內(nèi)部具有時鐘鎖相環(huán)電路,，可通過軟件編程設(shè)置內(nèi)部所需高頻。
TMS320LF2407A內(nèi)部存儲器中包含DRAM和SRAM兩大類,。其中,，DRAM分為3個RAM塊B0,、Bl、B2,，容量依次為256字、256字,、32字,。這些RAM都允許在1個指令周期內(nèi)訪問2次，因此數(shù)據(jù)處理能力顯著增加,。同時,，B0塊還可通過程序配置為數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器區(qū)。若配置為程序存儲器區(qū)則可在上電時將浮點算法子程序或數(shù)據(jù)表由外部慢速EPROM裝入該空間區(qū),，以緩解高速處理器與慢速外設(shè)間的矛盾,，從而提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性。TMS320LF2407A內(nèi)置采樣保持的10位精度,、高速MD轉(zhuǎn)換器,，轉(zhuǎn)換時間最短為500 ns。此外TMS320LF2407A還具有豐富的,、功能強大的中斷系統(tǒng)以及常用的I／O接口,，這些特性大大簡化了調(diào)速控制系統(tǒng)時硬件電路設(shè)計。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
圖2為基于TMS320LF2407A直流電機閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件框圖,。系統(tǒng)主電路采用交／直,，交電壓型變換器，功率器件采用智能功率模塊IPM,，該模塊包含由4個：IGBT以及4個與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管,。控制電路部分由AT89C5l控制單元,、TMS320LF2407A控制器,、電流檢測、轉(zhuǎn)速檢測,、過壓保護,、欠壓保護、過流保護,、液晶顯示和鍵盤輸入接口等電路組成,。
2．1 AT89C51控制單元
AT89C51控制單元主要完成：1)通過鍵盤輸入接口設(shè)置給定轉(zhuǎn)速：2)液晶顯示用于顯示給定轉(zhuǎn)速、電機啟動轉(zhuǎn)速和達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速,；3)完成對雙口RAM中存儲數(shù)據(jù)的讀取,，并將讀取的數(shù)據(jù)通過USB接口電路導入上位機或通過D／A轉(zhuǎn)換電路輸入到模擬設(shè)備。其中,，液晶顯示單元采用中文圖形兩用型液晶顯示模塊OCMJ4X8B-2,；鍵盤輸入采用矩陣式按鍵鍵盤，并通過單片機調(diào)用預(yù)設(shè)漢字，還可輸入數(shù)字(用于設(shè)置轉(zhuǎn)速),；雙口模塊用于存儲TMS320LF2407A采集的變量波形數(shù)據(jù),。
2．2 TMS320LF2407A控制單元
圖3為TMS320LF2407A控制單元電路，主要包括光耦隔離,、轉(zhuǎn)速檢測,、電流檢測和電壓檢測等電路?？蓪崿F(xiàn)過壓保護,、欠壓保護、過流保護,、轉(zhuǎn)速控制等功能,。其中，光耦隔離電路是由4片東芝公司的TLPl27及相應(yīng)的限流電阻組成,，實現(xiàn)TMS320LF2407A與IPM智能功率模塊的電氣隔離,，并放大PWM信號。轉(zhuǎn)速檢測電路采用歐姆龍1024原旋轉(zhuǎn)型線編碼器E682-CWZ6C,，編碼器輸出的脈沖經(jīng)TMS320LF2407A內(nèi)部4倍頻后產(chǎn)生每轉(zhuǎn)4 096個脈沖,，保證轉(zhuǎn)速精度。將采樣得到的數(shù)據(jù)與給定數(shù)據(jù)相比較,，調(diào)整DSP輸出驅(qū)動脈沖的寬度,，調(diào)節(jié)電機電壓，進而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,。電流采樣電路采用2片霍爾電流傳感器CN61M／TBC25C04,；一路將檢測到的直流母線上瞬時電流值送入過流保護電路，當其值大于過電流值
時,，相應(yīng)過流保護電路動作產(chǎn)生保護信號,，關(guān)斷PWM信號輸出：另一路檢測流過電動機的電流，使電動機在調(diào)速的過程中保持該電流不變,，從而保持輸出轉(zhuǎn)矩不變,。該系統(tǒng)設(shè)計TMS320LF2407A采用ADCIN00和ADCIN012通道采集電流信號。直流母線的采樣電壓通過ADCIN02通道輸入DSP,，根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù),，當電壓超過設(shè)定的上下限時，DSP關(guān)斷PWM脈沖的輸出,，從而實現(xiàn)過壓和欠壓保護功能,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
該直流電機閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。其中,，給定速度由鍵盤輸入接口電路輸入AT89C5l單片機控制系統(tǒng),，速度PI調(diào)節(jié),、電流PI調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速反饋量的計算由TMS320LF2407A編程實現(xiàn)。測得的電機轉(zhuǎn)速通過AT89C51控制系統(tǒng)輸出到液晶顯示單元上實時顯示,。
AT89C5l系統(tǒng)設(shè)定電機給定轉(zhuǎn)速和顯示實際轉(zhuǎn)速,，其程序流程如圖5(a)所示。上電后,，首先從P1口讀出由鍵盤輸入的給定轉(zhuǎn)速,，并將該轉(zhuǎn)速存儲TMS320LF2407A的雙口RAM中，同時,，給定轉(zhuǎn)速通過單片機P0口輸出到液晶顯示單元的驅(qū)動控制器SEDl520，由SEDl520驅(qū)動OCMJ4X8B-2顯示轉(zhuǎn)速,，顯示范圍為0．9～999 r／min,。當TFMS320LF2407A工作后，ATF89C51先判斷有無鍵盤輸入(即給定轉(zhuǎn)速是否變化),；若變化,，則將新的給定轉(zhuǎn)速寫入雙口RAM并顯示。否則,，從雙口RAM讀出電機實際轉(zhuǎn)速并顯示,。TMS320LF2407A上電后運行的主程序流程如圖5(b)所示。首先完成初始狀態(tài)的設(shè)定(包括對相關(guān)變量采樣,、數(shù)據(jù)存儲等),，然后讀出給定轉(zhuǎn)速，并判斷實際轉(zhuǎn)速是否達到給定轉(zhuǎn)速,；若達到,，則一直循環(huán)運行；若未達到,，則進入中斷處理子程序,，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，直到與給定轉(zhuǎn)速相等為止,。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序流程如圖5(c)所示,。進入子程序后首先讀出電流檢測量，與給定電流進行比較,，并對電流進行PI調(diào)節(jié),。然后讀出實際轉(zhuǎn)速并將該轉(zhuǎn)速存儲在雙口RAM，判斷該電流是否與給定轉(zhuǎn)速相等,，若相等則不進行速度PI調(diào)節(jié),，否則相反，進而改變PWM脈寬,，退出中斷子程序,。
4 試驗結(jié)果
采集空載啟動時的電機轉(zhuǎn)速反饋變量和定子電流變量,，通過USB接口電路傳輸至上位機：在上位機上繪出波形如圖6所示。從圖中看出,，電機在約20 s內(nèi)達到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值l 000 r／min,。在啟動過程中，定子電流由于PWM控制,，產(chǎn)生一定的波動,，當轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值后，定子電流也很快趨于穩(wěn)定,。
當電機運行時,，改變其運行速度(以加速為例，轉(zhuǎn)速從100 r／min增加到l 000 r／min),，采集給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速變量,，傳輸至上位機后繪出的轉(zhuǎn)速反饋波形和給定波形如圖7所示。由圖7看出,，4 s后實際轉(zhuǎn)速達到給定轉(zhuǎn)速值,，達到1000r／min時，轉(zhuǎn)速波動只有9r／min,，控制精度很高,，達到設(shè)計要求。
5 結(jié)束語
采用以TFMS320LF2407A為PWM控制的核心,，以AT89C5l控制單元為電機轉(zhuǎn)速控制管理核心的直流電機閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲,、實時顯示等功能，試驗結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快,，控制精度高等優(yōu)點,。