高性能DSP在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

4基于TMS320F2812的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

由于DSP的優(yōu)越性能，它可被用于數(shù)字化控制中，現(xiàn)介紹一個(gè)基于TMS320F2812 DSP的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其方框圖[3>如圖3所示。

圖3基于DSP的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖

4.1系統(tǒng)組成及其控制原理

系統(tǒng)主要由交流電源、整流濾波電路、逆變模塊IPM、交流異步電動(dòng)機(jī)M、TMS320F2812DSP芯片、電壓電流檢測(cè)電路、PWM脈沖及光耦電路、光電編碼器、鍵盤顯示及上位機(jī)組成。

DSP接收到PC上位機(jī)發(fā)出的輸入信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為PWM輸出，經(jīng)過PWM脈沖電路驅(qū)動(dòng)放大后送給逆變器，逆變器的輸出信號(hào)接到三相異步電機(jī)的定子繞組。從DSP輸出的PWM脈沖可以控制逆變IPM模塊電路的開關(guān)狀態(tài)，而逆變器開關(guān)狀態(tài)的改變，可在電機(jī)定子上形成旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量。通過工作電壓空間矢量和零矢量的交替選擇，可以控制定子磁鏈的走走停停，這樣磁通角（定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角）的大小也相應(yīng)地隨之改變，從而達(dá)到直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。光電編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)角，其輸出信號(hào)反饋回DSP的正交編碼脈沖電路（QEP），形成閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)有效地控制電動(dòng)機(jī)。

4.2系統(tǒng)核心—TMS320F2812 DSP控制器

整個(gè)系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，所有復(fù)雜的控制算法及控制策略都是通過TMS320F2812控制器來實(shí)現(xiàn)的。從圖3知，該系統(tǒng)涉及到DSP的大部分集成外設(shè)，如：事件管理器EV、串行通訊接口SCI、串行外設(shè)接口SPI、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、PWM發(fā)生模塊以及JTAG仿真接口等。下面簡(jiǎn)單介紹各模塊的功能。

（1）事件管理器EV

它是一個(gè)專門為控制系統(tǒng)（運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制）設(shè)計(jì)的模塊，包括通用定時(shí)器（GP）、全比較單元、捕獲單元和正交編碼脈沖電路（QEP）等四個(gè)基本單元。在該系統(tǒng)中，利用正交編碼脈沖電路（QEP）對(duì)引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（EVB）上的正交編碼脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)，直接處理光電編碼盤的正交編碼脈沖，通過檢測(cè)2路信號(hào)的相位關(guān)系可以判斷電機(jī)的位置和速度信息。此外，事件管理器內(nèi)部有PWM發(fā)生電路，可產(chǎn)生PWM波形，用于控制逆變器開關(guān)的通斷時(shí)間。

（2）串行通訊接口SCI

TMS320F2812設(shè)有雙通道異步串行外設(shè)通信口（包括SCIA和SCIB，24x系列中只有一個(gè)SCI），在該系統(tǒng)中它與RS-232或者RS-485等標(biāo)準(zhǔn)接口相接，用于DSP的CPU與PC上位機(jī)之間的數(shù)字通信。支持半雙工、全雙工等通信模式。

（3）串行外設(shè)接口SPI

SPI是一個(gè)高速同步串行I/O口，在該系統(tǒng)中SPI連接DSP控制器和顯示器，用于DSP和外部外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。典型應(yīng)用還包括作為外部I/O或用于對(duì)外設(shè)（ADC、顯示驅(qū)動(dòng)器等）進(jìn)行擴(kuò)展。

（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC

ADC模塊是一個(gè)帶采樣/保持電路的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有自動(dòng)排序能力，一次最多可執(zhí)行16個(gè)通道的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。它的轉(zhuǎn)換速度很快，在25MHz的ADC時(shí)鐘時(shí)，執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換操作時(shí)間為80ns[4>，比F2407快得多。該系統(tǒng)采用一個(gè)電壓傳感器和兩個(gè)電流傳感器，通過檢測(cè)逆變器前端的母線電壓Udc，經(jīng)ADC采樣后可根據(jù)當(dāng)前的開關(guān)狀態(tài)計(jì)算逆變器輸出電壓的usα和usβ分量；同時(shí)，電機(jī)的兩相電流由電流傳感器檢測(cè)后也經(jīng)ADC模塊采樣，再經(jīng)過3/2變換，可求出電流分量isα和isβ，最后根據(jù)有關(guān)公式可算出磁鏈和轉(zhuǎn)矩的大小。

（5）JTAG仿真接口

用于系統(tǒng)的在線仿真和測(cè)試。

4.3逆變模塊IPM

為了提高逆變電路的可靠性，系統(tǒng)采用日本三菱的IPM智能模塊，型號(hào)為PM25RSB120，其內(nèi)部有7只IGBT，除用于三相橋臂外，另外一只可做泵升電壓的旁路開關(guān)。IPM不僅將功率器件IGBT和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且對(duì)過流、過壓、過熱以及控制電壓欠壓等故障具有自動(dòng)保護(hù)的功能，是一種故障率低、又可使裝置小型化和輕量化的功率器件，還可以大大降低輸出電壓低次諧波的含量。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)之一不正常時(shí)，DSP迅速將PWM輸出端設(shè)為高阻，封鎖脈沖輸出，從而進(jìn)行有效保護(hù)。

為避免DSP工作不正常時(shí)IPM的上下橋臂“直通”現(xiàn)象，在每對(duì)PWM信號(hào)先加互鎖電路，然后到隔離驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換再送IPM的控制端，如圖4所示[5>.

圖4 IPM門極互鎖驅(qū)動(dòng)電路

IPM采用四組獨(dú)立的15V驅(qū)動(dòng)電源供電，光耦用快速6N137，以保證隔離信號(hào)響應(yīng)快，輸出信號(hào)好。系統(tǒng)中的其它模塊在此不作介紹。