摘要：針對(duì)某型直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求，采用TMS320LF2407A和AT89C51設(shè)計(jì)一種雙核直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng),。TMS320LF2407A采集和調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào),，AT89C51輸入給定轉(zhuǎn)速并顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。給出系統(tǒng)硬件原理框圖和程序流程,。試驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,、控制精度高、實(shí)時(shí)顯示,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn),。
關(guān)鍵詞：TMS320LF2407A；AT89C51；閉環(huán)調(diào)速,；實(shí)時(shí)顯示,；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

    直流電動(dòng)機(jī)以其良好的線性調(diào)速特性、簡(jiǎn)單的控制性能,、高質(zhì)高效平滑運(yùn)轉(zhuǎn)特性,，一直在速度和位置控制方面處于主導(dǎo)地位，尤其是調(diào)速性能其他電動(dòng)機(jī)無(wú)法比擬的,。目前采用全控型電力電子器件進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)控制方式已成為直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制的基礎(chǔ),。由于DSP具有運(yùn)算速度高，死區(qū)時(shí)間的PWM輸出,，實(shí)現(xiàn)諸如模糊控制等復(fù)雜算法,，外圍硬件少等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于電機(jī)數(shù)字控制,。這里采用MS320LF2407A型DSP和AT89C5l單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一種針對(duì)直流電機(jī)的全數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng),。

1 TMS320LF2407A簡(jiǎn)介
    圖1為TMS320LF2407A內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖，該器件采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),，流水線作業(yè),，在30 MHz的內(nèi)部時(shí)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(gè)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(shí)鐘鎖相環(huán)電路,，可通過(guò)軟件編程設(shè)置內(nèi)部所需高頻。

    TMS320LF2407A內(nèi)部存儲(chǔ)器中包含DRAM和SRAM兩大類,。其中,，DRAM分為3個(gè)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(gè)指令周期內(nèi)訪問(wèn)2次，因此數(shù)據(jù)處理能力顯著增加,。同時(shí),，B0塊還可通過(guò)程序配置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器區(qū)。若配置為程序存儲(chǔ)器區(qū)則可在上電時(shí)將浮點(diǎn)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(dòng)態(tài)性,。TMS320LF2407A內(nèi)置采樣保持的10位精度、高速M(fèi)D轉(zhuǎn)換器,，轉(zhuǎn)換時(shí)間最短為500 ns,。此外TMS320LF2407A還具有豐富的、功能強(qiáng)大的中斷系統(tǒng)以及常用的I／O接口,，這些特性大大簡(jiǎn)化了調(diào)速控制系統(tǒng)時(shí)硬件電路設(shè)計(jì),。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    圖2為基于TMS320LF2407A直流電機(jī)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(gè)：IGBT以及4個(gè)與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管,?？刂齐娐凡糠钟葾T89C5l控制單元、TMS320LF2407A控制器,、電流檢測(cè),、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、過(guò)壓保護(hù),、欠壓保護(hù),、過(guò)流保護(hù)、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(guò)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(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速和達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；3)完成對(duì)雙口RAM中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取,，并將讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口電路導(dǎo)入上位機(jī)或通過(guò)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(guò)單片機(jī)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(chǔ)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(cè)、電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)等電路,?？蓪?shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù),、過(guò)流保護(hù),、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(shí)現(xiàn)TMS320LF2407A與IPM智能功率模塊的電氣隔離,，并放大PWM信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)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(gè)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(dòng)脈沖的寬度,，調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)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(cè)到的直流母線上瞬時(shí)電流值送入過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)其值大于過(guò)電流值
時(shí),，相應(yīng)過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作產(chǎn)生保護(hù)信號(hào),，關(guān)斷PWM信號(hào)輸出：另一路檢測(cè)流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流，使電動(dòng)機(jī)在調(diào)速的過(guò)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(jì)TMS320LF2407A采用ADCIN00和ADCIN012通道采集電流信號(hào)。直流母線的采樣電壓通過(guò)ADCIN02通道輸入DSP,，根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù),，當(dāng)電壓超過(guò)設(shè)定的上下限時(shí)，DSP關(guān)斷PWM脈沖的輸出,，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)壓和欠壓保護(hù)功能,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該直流電機(jī)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(jī)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(jì)算由TMS320LF2407A編程實(shí)現(xiàn),。測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)AT89C51控制系統(tǒng)輸出到液晶顯示單元上實(shí)時(shí)顯示,。

    AT89C5l系統(tǒng)設(shè)定電機(jī)給定轉(zhuǎn)速和顯示實(shí)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(chǔ)TMS320LF2407A的雙口RAM中,，同時(shí),，給定轉(zhuǎn)速通過(guò)單片機(jī)P0口輸出到液晶顯示單元的驅(qū)動(dòng)控制器SEDl520，由SEDl520驅(qū)動(dòng)OCMJ4X8B-2顯示轉(zhuǎn)速,，顯示范圍為0．9～999 r／min,。當(dāng)TFMS320LF2407A工作后,，ATF89C51先判斷有無(wú)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(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速并顯示,。TMS320LF2407A上電后運(yùn)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(duì)相關(guān)變量采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等),，然后讀出給定轉(zhuǎn)速,，并判斷實(shí)際轉(zhuǎn)速是否達(dá)到給定轉(zhuǎn)速；若達(dá)到,，則一直循環(huán)運(yùn)行,；若未達(dá)到，則進(jìn)入中斷處理子程序,，調(diào)節(jié)電機(jī)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(jìn)入子程序后首先讀出電流檢測(cè)量,，與給定電流進(jìn)行比較，并對(duì)電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié),。然后讀出實(shí)際轉(zhuǎn)速并將該轉(zhuǎn)速存儲(chǔ)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(jìn)行速度PI調(diào)節(jié),，否則相反,，進(jìn)而改變PWM脈寬，退出中斷子程序,。

4 試驗(yàn)結(jié)果
    采集空載啟動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)兞亢投ㄗ与娏髯兞?，通過(guò)USB接口電路傳輸至上位機(jī)：在上位機(jī)上繪出波形如圖6所示。從圖中看出,，電機(jī)在約20 s內(nèi)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值l 000 r／min。在啟動(dòng)過(guò)程中,，定子電流由于PWM控制,，產(chǎn)生一定的波動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值后,，定子電流也很快趨于穩(wěn)定,。

    當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，改變其運(yùn)行速度(以加速為例,，轉(zhuǎn)速?gòu)?00 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(jī)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(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速值,，達(dá)到1000r／min時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)只有9r／min,，控制精度很高,，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
    采用以TFMS320LF2407A為PWM控制的核心,，以AT89C5l控制單元為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制管理核心的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、實(shí)時(shí)顯示等功能，試驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,，控制精度高等優(yōu)點(diǎn),。