摘 要 ：直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）是一種新穎的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案，它是在定子坐標(biāo)系下，通過檢測定子電壓、電流等變量，直接計(jì)算和控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈與轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。DSP具有運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)和實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，這使得很多復(fù)雜的控制策略和控制算法得以容易地實(shí)現(xiàn)。本文介紹直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理、高性能TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器的體系結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)、TMS320F2812在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。 1 引言 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論的高速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)得到了長足的發(fā)展，在高性能的交流調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）兩種控制思想。其中DTC技術(shù)摒棄了VC中的需要解耦的控制思想，它具有簡單的控制結(jié)構(gòu)、良好的動(dòng)靜態(tài)性能和快速的響應(yīng)速度等特點(diǎn)，它一誕生就得到了廣泛關(guān)注，目前已成為研究的熱點(diǎn)問題。本文將介紹基于TMS320F2812 DSP芯片的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 2 直接轉(zhuǎn)矩控制原理結(jié)構(gòu) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基本原理圖如圖1所示。 在圖1中，逆變器有三個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂上存在互鎖的兩個(gè)開關(guān)Si、（i＝1，2，3），通過控制Si的開關(guān)狀態(tài)如圖1（a）所示，可以得到8個(gè)電壓空間矢量Us（加到電動(dòng)機(jī)定子繞組上），其中6個(gè)為工作電壓空間矢量，它們等幅且兩兩相隔60°，連接這6個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)可構(gòu)成一個(gè)正六邊形，另外的兩個(gè)為零矢量，位于六邊形的中心，如圖1（b）所示。通過正確的開關(guān)的通斷，可順序形成不斷旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量，從而在異步電動(dòng)機(jī)氣隙形成旋轉(zhuǎn)的磁鏈，而通過零矢量的恰當(dāng)選擇可以控制磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度。定子磁鏈Ψμ、轉(zhuǎn)子磁鏈Ψγ以及轉(zhuǎn)矩之間Td存在關(guān)系:，θ為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即磁通角，Lσ為轉(zhuǎn)子漏感。在實(shí)際的運(yùn)行中，為充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心，保持定子磁鏈幅值為額定值，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載的大小決定，要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變磁通角θ的大小來實(shí)現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量Us來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)，控制定子磁鏈的走走停停，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變磁通角θ的大小，以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的[1]。 3 高性能DSP TMS320F2812芯片 在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，DSP芯片是控制器的核心，所有復(fù)雜的控制算法和控制策略都通過它來實(shí)現(xiàn)。TMS320F2812是Texas公司C28TM系列中最新成員，其高速的運(yùn)算能力、強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理能力和高度集成化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得它在控制領(lǐng)域內(nèi)得到了人們的青睞。下面介紹TMS320F2812主要特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)框圖[2]如圖2所示。 TMS320F2812的CPU是基于C28xTM的32位定點(diǎn)內(nèi)核，主頻達(dá)150MHz。TMS320F2812芯片具有高度集成的結(jié)構(gòu)，在片內(nèi)集成大量的外設(shè)（如圖2所示），這些外設(shè)包括:事件管理器EVA/EVB、16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、看門狗定時(shí)器Watchdog、通用輸入輸出引腳GPIO、多通道緩沖串行外設(shè)McBSP、改進(jìn)CAN總線接口、雙通道串行通信接口SCIA/SCIB、串行外設(shè)接口SPI等。與C28xTM DSP以前的芯片相比，TMS320F2812有自己的特點(diǎn): （1） 它是C2000系列中第一代32位的定點(diǎn)DSP芯片（C24xTM為16位DSP芯片）; （2） 芯片內(nèi)部有3個(gè)32位定時(shí)器; （3） 具有12位的ADC（以前的為10位）和雙通道SCIA/SCIB; （4） 有多通道緩沖串行外設(shè)McBSP; （5） 采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和八級(jí)流水線作業(yè); （6） 存儲(chǔ)空間大大擴(kuò)展，其片內(nèi)存儲(chǔ)器資源包括:128K字×16位的Flash存儲(chǔ)器、128K字×16位的ROM、1K字×16位的OPT ROM、一塊1K字×16的SARAM、L0和L1上各有8K字×16位的SARAM、M0和M1上各8K字×16的SARAM; （7） 可以執(zhí)行32×32位的二進(jìn)制補(bǔ)碼乘法操作，并產(chǎn)生64位的結(jié)果; （8） 它是C2000系列性能最高的芯片，處理速度達(dá)150MIPS，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，能應(yīng)用于很多復(fù)雜的控制算法如無速度傳感器的定向控制、運(yùn)動(dòng)輪廓的識(shí)別和功率因數(shù)的校正等，并且其代碼與以前各個(gè)型號(hào)的DSP兼容，它也是目前處理C/C++代碼效率最高的DSP芯片（就C2000系列而言）。由于這些特點(diǎn)，TMS320F2812DSP有著廣泛的應(yīng)用空間。 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。 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]。 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。 5 結(jié)束語 基于TMS320F2812的高性能直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，充分利用TMS320F2812運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好和高度集成等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠、控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，是高效的交流調(diào)速控制系統(tǒng)。另外TMS320F2812具有體積小、功能全、可靠性高、成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集和控制等應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)它也為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制提供了有效的途徑。