摘要：本文以直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)為基礎(chǔ)，以TMS320C240DSP為控制核心，建立了一種全數(shù)字化高性能通用變頻調(diào)速系統(tǒng)，給出了相關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能。 關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制 DSP 變頻器 Abstract：The paper sets up a kind of fully digital general VVVF system with high performance is developed. In the system, the direct self-control theory is based on, the single chip microcomputer DSP is used as control centre, and puts out software and hardware project. The testing results proves that it has good dynamic and static performance. Keywords：DSR；DSP；Inverters 0 引言 隨著VLSI和控制理論的發(fā)展，高速、高集成度、低成本的微控制器及專(zhuān)用芯片相繼問(wèn)世，使全數(shù)字化的交流調(diào)速系統(tǒng)成為可能。用軟件取代模擬器件，可以方便地修改控制策略、修正控制參數(shù)，此外還可以具有故障檢測(cè)、自診斷和上位機(jī)管理與通信等功能。正是順應(yīng)這一發(fā)展方向，許多芯片廠家紛紛致力于數(shù)字電機(jī)微控制器的研制與生產(chǎn)，如國(guó)內(nèi)較為流行的Motorola MC68HC16系列、Intel MCS96系列以及TI的TMS320X24X系列等。美國(guó)TI（德州儀器）公司自82年發(fā)明第一片數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），又于97年推出數(shù)字電機(jī)微控制器TMS320C240。該芯片面向新一代交流電機(jī)控制，具有DSP的高速運(yùn)算能力與面向電機(jī)的高效控制能力于一體，堪稱(chēng)業(yè)界最具有競(jìng)爭(zhēng)力的數(shù)字電機(jī)控制器。本文也是根據(jù)這一發(fā)展方向，使用最新的變頻器芯片和變頻控制理論，致力于新型智能變頻器的研究。 1直接轉(zhuǎn)矩控制的主要特點(diǎn) 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)，德語(yǔ)稱(chēng)之為DSR （Direkte Selbstregelung），英語(yǔ)稱(chēng)之為DSC（Direct Self-control），是近 10年來(lái)繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型的具有高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。 直接轉(zhuǎn)矩控制有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：（1）直接轉(zhuǎn)矩控制直接定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化:既不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解禍而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。因此，它所需要的信號(hào)處理工作特別簡(jiǎn)單，所用的控制信號(hào)使觀察者對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)的物理過(guò)程能夠作出直接和明確的判斷。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來(lái)。而矢量控制磁場(chǎng)定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大地減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問(wèn)題。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來(lái)分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制其各物理量，使問(wèn)題變得特別簡(jiǎn)單明了。（4）直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果。它包含有兩層意思：①直接控制轉(zhuǎn)矩；②對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。1）直接控制轉(zhuǎn)矩與著名的矢量控制的方法不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，直接控制轉(zhuǎn)矩。因此它并非極力獲得理想的正弦波波形，也不專(zhuān)門(mén)強(qiáng)調(diào)磁鏈的圓形軌跡。相反，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，它強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。2）對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制在接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩，實(shí)行直接控制。其控制方式是，通過(guò)轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作帶滯環(huán)的比較，把轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小，由頻率調(diào)節(jié)器來(lái)控制.因此它的控制效果不取決于電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況。它的控制既直接又簡(jiǎn)化。對(duì)轉(zhuǎn)矩的這種直接控制方式也稱(chēng)之為“直接自控制”。這種“直接自控制”的思想不僅用于轉(zhuǎn)矩控制，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。但以轉(zhuǎn)矩為中心來(lái)進(jìn)行綜合控制。 2 實(shí)現(xiàn)方案 高的集成度和精簡(jiǎn)的電路結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)可靠的保障。從性能、成本和可靠性等各方面綜合論證，系統(tǒng)采用了全數(shù)字化設(shè)計(jì)，采用了最新的芯片。主電路采用三菱公司的智能功率模塊ASIPM PS1103X系列中的PS11032，控制電路采用德州儀器公司的’C23x系列DSP控制器的TMS320C240。這使得系統(tǒng)硬件極大的簡(jiǎn)化，減輕了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。該系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。 2.1 主電路的設(shè)計(jì) 變頻器主要包括主電路和控制電路兩部分電路。主電路主要由整流電路、直流中間電路和逆變電路以及有關(guān)輔助電路組成。本系統(tǒng)中主電路采用了三菱電機(jī)公司最新出品的智能功率模塊PS11032。 由于PS11032內(nèi)含的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置了最佳的IGBT驅(qū)動(dòng)條件，驅(qū)動(dòng)電路與IGBT間的距離很短，輸出阻抗很低，因此，不需要加反向偏壓。其中最為方便的是PS11032可以直接與CPU相連，不需要通過(guò)隔離電路。PS11032的驅(qū)動(dòng)電路的輸入腳 通過(guò)10k的限流電阻和5.1k的上拉電阻，直接連接到CPU的輸出腳上。 2.2 控制電路設(shè)計(jì) 控制電路是變頻器電路最重要的部分，控制電路的優(yōu)劣決定變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬怯蓹z測(cè)電路得到的各種信號(hào)，為變頻器主電路提供必要的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并對(duì)變頻器以及異步電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)。控制電路以TMS320C240DSP為核心，并配置了32k字的程序存儲(chǔ)器和8k字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，C240使用20MHz外部晶振，單周期指令使C240運(yùn)算能力達(dá)20MIPS。C240帶有4K字的Flash EEPROM，在外部我們又?jǐn)U展了32k字的SRAM程序空間和 8k字的 SRAM數(shù)據(jù)空間。系統(tǒng)程序的編制采用了以功能塊為基礎(chǔ)的程序組件模塊化的方法，這種方法便于按功能自由組合，編寫(xiě)調(diào)試都比較方便。主程序在上電開(kāi)始時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，然后將系統(tǒng)程序從EPROM轉(zhuǎn)移至RAM以利用DSP的快速性，初始化系統(tǒng)參數(shù)，其主要負(fù)責(zé)背景任務(wù)，如顯示的刷新等，流程圖如圖2所示。 2.2.1 雙A/D轉(zhuǎn)換器與檢測(cè)電路的連接 TMS320C240配置有兩個(gè)帶采/保的各8路 10位 的A/D轉(zhuǎn)換器，可并行處理模擬量，模擬量可包括：反饋的速度、位置、溫度傳感、電壓傳感和電流傳感信號(hào)等。為了保證定子電流檢測(cè)的精度和速度，我們采用了科海公司的KT系列霍爾傳感器，其輸出為0～5V的信號(hào)，經(jīng)過(guò)儀表放大器AD623調(diào)整后，直接連到TMS320C240本身配置的A/D轉(zhuǎn)換器上。逆變器直流電壓經(jīng)電壓傳感器采樣后，由儀表放大器AD623調(diào)整后，也直接連到TMS320C240本身配置的AID轉(zhuǎn)換器上。 速度檢測(cè)電路采用光電編碼器，它直接將電機(jī)角度和位移的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其輸出信號(hào)直接連到TMS32OC240本身配置的正交編碼脈沖單元上。兩路 A/D轉(zhuǎn)換器各負(fù)責(zé)兩路模擬信號(hào)，并預(yù)留出接口供系統(tǒng)擴(kuò)展或升級(jí)使用。A/D中斷響應(yīng)子程序輪回采樣并將結(jié)果讀入內(nèi)存，流程如圖3所示。 2.2.2 SPI串口和SCI串口與通信電路 TMS32OC240片內(nèi)外設(shè)還包括一個(gè)異步串行通訊口（SCI）和一個(gè)同步串行通訊口 （SPI ）。SCI口即通用異步收發(fā)器（DART），用于與 PC機(jī)串口等標(biāo)準(zhǔn)器件通信，可采用RS一232/485協(xié)議等，最大波特率625kbpse SPI口可用于同步數(shù)據(jù)通信，最大波特率 2. 5Mbps，典型應(yīng)用包括外部 I/0或外設(shè)擴(kuò)展，如移位寄存器、顯示驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換器等.SPI 1-1共有3根通信線：串行輸入數(shù)據(jù)線SPISOMI,串行輸出數(shù)據(jù)線SPISIMO和同步時(shí)鐘線SPICLK，另1根控制線SPISTE是從機(jī)選通線。 在系統(tǒng)中，利用 TMS320C240的 SPI串行接Cl擴(kuò)展了一個(gè)串行 EEPROM芯片X25045, X25045可提供512字竹的EEPORM ｛I]于保存系統(tǒng)設(shè)置。同時(shí)，使用一片ADM233擴(kuò)展一個(gè)RS232接口，能夠與計(jì)算機(jī)通信，交換數(shù)據(jù)。 2.2.3 人機(jī)界面電路 人機(jī)界面電路顯示采用了液晶顯示器（20字符x2行）。在變頻器運(yùn)行之前顯示變頻器的設(shè)定值：在變頻器運(yùn)行時(shí)它是監(jiān)視器，顯示電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行數(shù)據(jù)，如電動(dòng)機(jī)的電流、電壓、變頻器的輸出頻率、轉(zhuǎn)速等；在變頻器發(fā)生故障時(shí)，顯示故障的種類(lèi)、故障時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)等，便于分析故障的原因。 一共有 11個(gè)按鍵，包括功能鍵和設(shè)定鍵兩組。功能鍵是正轉(zhuǎn)鍵、復(fù)位鍵、反轉(zhuǎn)鍵和停止鍵，用于對(duì)變頻器發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)指令。設(shè)定鍵是模式鍵、編程鍵、增加鍵、減少鍵、左移鍵、右移鍵、回車(chē)鍵等。其中模式鍵用于改變監(jiān)視模式；編程鍵用于改變功能模式進(jìn)入或退出編程狀態(tài)；增加鍵和減少鍵改變?cè)O(shè)定值大??；左移鍵和右移鍵移動(dòng)光標(biāo)等；回車(chē)鍵用于進(jìn)入光標(biāo)指示項(xiàng)目的設(shè)定畫(huà)面，確定選擇等。鍵盤(pán)連接到PI0～PI10擴(kuò)展信號(hào)線上，選通地址為OOOOH。所有的鍵盤(pán)信號(hào)線同時(shí)也連到一個(gè)GAL16V8上，GAL16V8上將所有的信號(hào)相與后，輸出到 INT3中斷管腳。這樣任一個(gè)按鍵按下時(shí)都產(chǎn)生INT3中斷。 3 仿真結(jié)果 本文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模糊控制仿真，速度給定跳變響應(yīng)曲線如圖4和圖5 所示。 4 結(jié)束語(yǔ) 由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)給定速度跳變時(shí)，系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)。轉(zhuǎn)矩和電流波動(dòng)較小，而且在轉(zhuǎn)速跳變的時(shí)候，能夠快速達(dá)到穩(wěn)定；靜態(tài)誤差小，具有很好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 參考文獻(xiàn)： [1] 王曉明，王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制——TI公司DSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2004 [2] 秦繼榮，沈安俊.現(xiàn)代直流伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1999 [3] 劉和平，嚴(yán)利平，張學(xué)鋒等.TMS320LF240xDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2002 [4] 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