串行通信在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用

0 引 言

TMS320LF2407是TI公司開發(fā)的、適用于電機(jī)控制的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），在原有DSP內(nèi)核的基礎(chǔ)上添加了脈寬調(diào)制（PWM）、A／D、D／A模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的全數(shù)字控制。它在電機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了明顯效果。在開發(fā)一套以DSP為核心的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，需要及時(shí)觀察驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的各個(gè)變量，同時(shí)還要對(duì)一些程序進(jìn)行控制，修改特定參數(shù)。DSP在實(shí)際運(yùn)行中不能用外接的端口進(jìn)行控制，需要用DSP自帶的串行通信模塊來(lái)解決這一問(wèn)題。通過(guò)一臺(tái)上位計(jì)算機(jī)和以DSP為核心的電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，Pc機(jī)通過(guò)串口來(lái)改變DSP程序中轉(zhuǎn)矩、磁鏈給定，以及調(diào)節(jié)PI參數(shù)等，電機(jī)控制系統(tǒng)完成對(duì)電機(jī)的控制，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)反饋到Pc機(jī)中進(jìn)行分析、處理、顯示和存儲(chǔ)。本文以DSP控制永磁同步電機(jī)為例，介紹在整個(gè)控制系統(tǒng)中串行通信的實(shí)現(xiàn)。

1 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)

永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法，這是19世紀(jì)80年代提出的交流電機(jī)高性能控制策略。本控制系統(tǒng)是一個(gè)速度和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用電壓、電流傳感器檢測(cè)直流母線電壓Vdc。及定子二相電流i 和i ，通過(guò)坐標(biāo)變換將定子三相坐標(biāo)系中的電壓、電流變量轉(zhuǎn)換為α-β靜止定子坐標(biāo)系中的二相分量。將由磁鏈及轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器得到的定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩實(shí)際值作為反饋量，與磁鏈、轉(zhuǎn)矩給定值進(jìn)行比較，所得到的誤差信號(hào)通過(guò)磁鏈、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的滯環(huán)控制單元后，獲得0、1控制信號(hào)，再綜合考慮當(dāng)前定子磁鏈所在的區(qū)域，選擇適當(dāng)?shù)碾妷嚎諉?wèn)矢量控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度及方向，即可直接快速地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。

如果試驗(yàn)人員能夠及時(shí)地觀測(cè)并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩、磁鏈、電壓、電流等控制參數(shù)，將會(huì)極大地提高電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)效率。

2 串行通信的實(shí)現(xiàn)

PC機(jī)與DSP串行通信的實(shí)現(xiàn)包括三個(gè)部分，即硬件設(shè)計(jì)、上位機(jī)程序設(shè)計(jì)、下位機(jī)程序設(shè)計(jì)。

2．1 串行通信硬件設(shè)計(jì)

從本試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際需要考慮，采用RS-232實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與DSP的數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)在RS。232的通信端口是每臺(tái)計(jì)算機(jī)上的必要配置，通常含有COM1和 COM2兩個(gè)端口，所以能很方便地把上位機(jī)與下位機(jī)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和控制。圖2是TMS320LF2407串行通信接1：1電路 [1]。該電路采用了符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片MAX232進(jìn)行串行通信。MAX232芯片功耗低，集成度高，+5 V供電，具有2個(gè)接收和發(fā)送通道。由于TMS320LF2407采用+3．3 V供電，需要將5 V的1tI1L電平變換為3．3 V高電平，整個(gè)接口電路簡(jiǎn)單，可靠性高。

2．2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

Delphi是一種面向?qū)ο蟮目梢暬幊坦ぞ?，擁有功能?qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境和速度極快的編譯器，兼具Visual C++的強(qiáng)大功能和VB易學(xué)易用的特點(diǎn)。通過(guò)安裝MSComm控件，可在Delphi環(huán)境下方便地實(shí)現(xiàn)串行通信[2]。MSComm提供了兩種處理通信問(wèn)題的方法：一種是事件驅(qū)動(dòng)法，一種是查詢法。本系統(tǒng)選用事件驅(qū)動(dòng)法，該方法程序響應(yīng)及時(shí)，可靠性高。只要了解使用MSComm的屬性及事件的用法就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的操作。

其主要屬性有 ：

（1）eommport屬性，用于設(shè)置并返回連接的串行端口號(hào)；
（2）settings屬性，以字符形式設(shè)置并返回串口的波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位參數(shù)；
（3）po～open屬性，用于設(shè)置或返回通信連接端口的狀態(tài)；
（4）input屬性，用于從輸入緩沖區(qū)返回并刪除字符；
（5）output屬性，用于將要發(fā)送的數(shù)據(jù)輸入傳輸緩沖區(qū)；
（6）inputlen屬性，用于指定由串行端I：I讀入的字符串長(zhǎng)度或字節(jié)數(shù)；
（7）handshaking屬性，用于指定通信雙方的握手協(xié)議；
（8）rthreshold屬性，用于設(shè)置或返回引發(fā)接收事件的字節(jié)數(shù)；
（9）sthreshold屬性，用于設(shè)置并返回傳輸緩沖區(qū)中允許的最小字符數(shù)；
（10）commevent屬性，在通信錯(cuò)誤或事件發(fā)生時(shí)都會(huì)產(chǎn)生oncomm事件；
（11）inbufercount屬性，用于接收緩沖區(qū)中的字符數(shù)；
（12）inputmode屬性，用于設(shè)置或返回input屬性取回?cái)?shù)據(jù)的類型。

程序設(shè)計(jì)中首先要對(duì)MSComm進(jìn)行初始化，可以雙擊MSComm控件設(shè)置，也可以在程序中修改。

本系統(tǒng)根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)了通信協(xié)議。[next]

（1）幀分為兩類，即控制幀和數(shù)據(jù)幀?？刂茙瑸樯衔粰C(jī)發(fā)出的控制命令，數(shù)據(jù)幀為上、下位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（2）上位機(jī)對(duì)下位機(jī)通信中的控制幀，格式都是一個(gè)字節(jié)，定義如下：AA為下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；AB為下位機(jī)接收數(shù)據(jù)；AC為下位機(jī)停止發(fā)送

（3）數(shù)據(jù)幀為兩個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)范圍是0～65535，滿足了數(shù)據(jù)要求。

例如，把電機(jī)磁鏈設(shè)置為200，該通信命令由4個(gè)字節(jié)組成，數(shù)據(jù)格式為AB0400C8。其中：AB為控制幀，04代表磁鏈，00C8為數(shù)據(jù)幀。每個(gè)字節(jié)包含1個(gè)起始位、1個(gè)停止位、8個(gè)數(shù)據(jù)位，這些都是隱藏在底層程序中的，在實(shí)際應(yīng)用中用戶只需在通信界面上設(shè)置磁鏈值200，然后單擊“n發(fā)送”按鈕即可實(shí)現(xiàn)該命令。圖3為PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖。

2．3 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

TMS320LF2407中包含一個(gè)串行通信模塊（SCI），SCI的寄存器是8位的?？删幊痰腟C1支持CPU和其他使用標(biāo)準(zhǔn)非歸零（NRZ）格式的異步外設(shè)之間的串行數(shù)字通信，SCI的接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每個(gè)都有它自己的獨(dú)立使能和中斷位。波特率可以通過(guò)一個(gè)16位的波特率選擇寄存器進(jìn)行編程。為了保證串行通信的成功，在通信前必須對(duì)DSP的SCI模塊進(jìn)行初始化，設(shè)置通信的波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位及每個(gè)字節(jié)包含的位數(shù)等，這些參數(shù)的設(shè)置必須與PC機(jī)上的設(shè)置一致，否則會(huì)引起傳輸錯(cuò)誤。在DSP與PC機(jī)的通信中，對(duì)于DSP來(lái)說(shuō)，通信的主要功能是接收Pc機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給Pc機(jī)?？刹捎貌樵兒椭袛鄡煞N方式接收數(shù)據(jù)，查詢方式需要程序循環(huán)檢測(cè)通信端口，浪費(fèi)DSP資源，因此本系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時(shí)采用中斷方式；但在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由于要發(fā)送的數(shù)據(jù)比較多，如果也用中斷方式就會(huì)干擾到電機(jī)的控制，電機(jī)不能平穩(wěn)運(yùn)行，因此采用查詢方式。在中斷子程序中設(shè)置發(fā)送標(biāo)志位，通過(guò)在主程序中查詢?cè)摌?biāo)志位來(lái)決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，下位機(jī)需要發(fā)送多組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)不同的電機(jī)參數(shù)，如何正確區(qū)分這些數(shù)據(jù)是通信能否成功的關(guān)鍵。本系統(tǒng)利用已設(shè)定的下位機(jī)發(fā)送參數(shù)的順序、MSComm控件的inputlen屬性及rthreshold屬性的配合使用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。另外下位機(jī)接收和發(fā)送寄存器是8 位的，需要設(shè)定標(biāo)志變量來(lái)區(qū)分、合并高低字節(jié)。圖4為下位機(jī)通信程序框圖。

3 試驗(yàn)結(jié)果

利用DSP的SCI模塊和MSComm控件可以方便地實(shí)現(xiàn)DSP與Pc機(jī)的串行通信。本文所介紹的設(shè)計(jì)方法已在Pc機(jī)和以TMS320LF2407為核心的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：可以通過(guò)Pc機(jī)對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制。圖5為上位機(jī)監(jiān)控界面，它包括參數(shù)發(fā)送和數(shù)據(jù)采集兩部分，可以顯示速度、磁鏈、轉(zhuǎn)矩的給定值和實(shí)際值，便于用戶比較。圖6為永磁同步電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的速度觀測(cè)圖。其中：直線代表速度給定值，曲線是速度實(shí)際值。速度給定值為500 r／min，通過(guò)轉(zhuǎn)速表測(cè)量，轉(zhuǎn)速為499r／min，從圖中可以看出速度以極小的誤差圍繞給定值波動(dòng)，證明了轉(zhuǎn)速能被很好地控制住。圖7為磁鏈標(biāo)幺值的給定值與實(shí)際值比較圖，磁鏈給定值為200，DSP中采用Q12格式，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算反饋到上位機(jī)時(shí)應(yīng)為0．2，直線是給定值，曲線是實(shí)際值，在圖中可以看出超調(diào)量很小，磁鏈參數(shù)也能準(zhǔn)確地反饋到Pc機(jī)上，與試驗(yàn)預(yù)期結(jié)果相符。

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4 結(jié) 語(yǔ)

采用PC機(jī)與DSP的主從式結(jié)構(gòu)，既能發(fā)揮DSP的數(shù)據(jù)處理能力，又具有良好的人機(jī)接口，這極大地方便了系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試。DSP和PC機(jī)串行通信可以實(shí)現(xiàn)下位機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)上傳，使用戶隨時(shí)掌握電機(jī)狀態(tài)性能；通過(guò)上位機(jī)在線修改DSP的程序，使電機(jī)按照要求運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的全數(shù)字化實(shí)時(shí)控制。本文所解決的關(guān)鍵難題為下一步實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)性能的在線監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。