以TMS320LF2407A DSP為核心，實現(xiàn)了異步電機的高性能、全數(shù)字化轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，并就該系統(tǒng)的實現(xiàn)方法和設(shè)計中存在的主要難點進行了較為詳細的分析。 1 引言 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制技術(shù)是一種比較實用的異步電機高性能控制技術(shù)，它具有轉(zhuǎn)矩與磁鏈控制完全解耦的優(yōu)點，然而，要求坐標(biāo)變換的難點使其在以前難以應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，這一技術(shù)變得越來越容易實現(xiàn)，而且成為目前高性能異步電機傳動系統(tǒng)的首選。近幾年，隨著DSP芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP的速度越來越快，其外圍也更為豐富，使得較為復(fù)雜的異步電機控制系統(tǒng)逐漸采用DSP控制器作為系統(tǒng)的微處理器。本文以TI公司的TMS320LF2407A DSP為核心，實現(xiàn)了異步電機的高性能、全數(shù)字化轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，并就該系統(tǒng)的實現(xiàn)方法和設(shè)計中存在的一些問題進行了分析。 2 TMS320LF2407A簡介 TI公司推出的TMS320LF2407A，是目前比較成熟、性價比相當(dāng)高的一款電機控制專用DSP，其主要特點有： （1）高達40MIPS的指令執(zhí)行速度，提高了它的實時控制能力； （2）片上32K字的Flash存儲器，544字的DARAM，2K字的SARAM，滿足一般應(yīng)用要求，基本上無需外擴存儲器； （3）兩個事件管理器模塊EVA和EVB，具有4個定時器，16個PWM通道（其中12個可插入可編程死區(qū)），兩套獨立的正交脈沖輸入和6路捕獲輸出，該特點讓這個控制器可以實現(xiàn)多臺電機的同步控制； （4）存儲器可外部擴展，便于編制更為復(fù)雜的軟件或存儲大量的數(shù)據(jù)； （5）內(nèi)置看門狗和鎖相環(huán)，無需高達40MHz的晶振； （6）10位16通道的高速（最小轉(zhuǎn)換時間為375ns）A/D轉(zhuǎn)換器； （7）自帶CAN控制器、SCI接口和SPI接口模塊； （8）41個可編程的復(fù)用I/O引腳，滿足電機控制的大量I/O要求。 從上述TMS320LF2407A的特點可以看出，采用該款DSP作為高性能異步電機矢量控制系統(tǒng)的CPU時，能大大簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計，同時保證了系統(tǒng)的高速實時性能和低成本。 3 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，給定轉(zhuǎn)速nref與反饋轉(zhuǎn)速n比較后得轉(zhuǎn)速誤差en，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩電流給定i＊sq，并與實際的轉(zhuǎn)矩電流isq比較經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生vsqref;另一方面，給定轉(zhuǎn)速nref通過特定的磁鏈曲線產(chǎn)生磁鏈給定，與電機實際磁鏈比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生vsdref, 對vsqref與vsdref補償耦合項并經(jīng)過PARK逆變換后得到SVPWM所需的vsαref和vsβref，SVPWM模塊產(chǎn)生死區(qū)可改變的6路PWM來驅(qū)動功率管。系統(tǒng)中為了實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)控制，兩路電流ia、ib（對于三相籠型異步電機，可以只檢測2路電流）被檢測，經(jīng)CLARKE和PARK變換后得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下實際的定子電流分量isd、isq，其中勵磁電流分量isd經(jīng)過一個與電機參數(shù)有關(guān)的一階濾波器后得到轉(zhuǎn)子磁鏈。同時根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈給定與定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定獲得的轉(zhuǎn)差ωsl與反饋的轉(zhuǎn)速n相加獲得同步轉(zhuǎn)速ωe，對其積分后得轉(zhuǎn)子磁場定向角θ，用到坐標(biāo)變換和電壓耦合補償項中。整個系統(tǒng)的工作原理相當(dāng)清晰，結(jié)構(gòu)也比較簡單，是其得到了廣泛應(yīng)用的重要原因。 4 基于TMS320LF2407A DSP上的系統(tǒng)實現(xiàn) 圖1 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖 盡管圖1所示的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，但在沒有高性能MCU或DSP以前，要實現(xiàn)起來也極為不容易，主要原因還是在于坐標(biāo)變換。隨著高性能DSP控制器的誕生，整個矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)字化實現(xiàn)變得現(xiàn)實可行起來。下面根據(jù)TMS320L-F2407A的特點，對圖1所示的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)字化實現(xiàn)進行闡述。 在圖1所示的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，除了以下3個部分需要其他電路輔助外，其他都可以通過對DSP進行軟件編程實現(xiàn)。 （1）6路PWM輸出到功率管時，需要添加外部驅(qū)動和光電隔離電路； （2）電流采樣需要電流傳感器和信號調(diào)理電路； （3）轉(zhuǎn)速反饋需要光電碼盤、噪聲濾波處理和光電隔離電路。 系統(tǒng)中，SVPWM通過TMS320LF2407A DSP的事件管理器中的SVPWM硬件模塊產(chǎn)生，簡化了軟件編程，PWM死區(qū)可用DSP中可編程的死區(qū)發(fā)生器產(chǎn)生；模擬電流、可用DSP自帶的A/D模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；磁鏈曲線可用多項式擬合的方法編程實現(xiàn)；PARK和反PARK變換可用查表的方法實現(xiàn)；其他各涉及到微分和積分的環(huán)節(jié)都可以經(jīng)過某種離散化方法后通過軟件編程實現(xiàn)。系統(tǒng)的核心控制部分的軟件流程如圖2所示。 圖2 系統(tǒng)軟件控制流程 表1 系統(tǒng)數(shù)字化實現(xiàn)時主要變量數(shù)據(jù)格式 在系統(tǒng)數(shù)字化實現(xiàn)中存在幾點需特別強調(diào)一下： （1）是用標(biāo)么值還是采用實際值的形式。由于TMS320LF2407A是運算精度為32位的定點DSP，故采用標(biāo)么值格式更為合適，而且可針對不同的異步電機方便地修改參數(shù)； （2）數(shù)據(jù)格式選擇。針對不同類型的參數(shù)和變量，需要根據(jù)實際情況進行選擇，例如系統(tǒng)的電壓、電流變量均采用4.12格式，表示的范圍為-8.00000～+7.99976，與具體的電流值無關(guān)。系統(tǒng)中主要變量的數(shù)據(jù)格式如表1所示。 （3）用給定的轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流力矩分量計算轉(zhuǎn)差角速度，這種做法可以保證反饋電流噪聲較大時系統(tǒng)依然穩(wěn)定，另外，由于采用標(biāo)么值形式，因此n和ωsl可以直接相加。 5 實驗結(jié)果 圖3 nref=600r/min時的轉(zhuǎn)速和電流波形 （Kpn=2.0，Kin=0.25，Kpt=1.0，Kii=0.125） 圖4 nref=0.1r/min時的轉(zhuǎn)速和電流波形 （Kpn=5.0，Kin=1.5，Kpt=2.5，Kii=1.0） 基于TMS320LF2407A DSP的全數(shù)字化轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)的高性能在一個3KW籠型異步電機上的控制實驗得到了體現(xiàn)（電機參數(shù)見附錄）。在轉(zhuǎn)速給定分別為600r/min和0.1r/min時系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流波形如圖3和圖4所示，圖3的轉(zhuǎn)速和電流波形時間是一致的，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器參數(shù)分別為；圖4的調(diào)節(jié)器參數(shù)為。圖3說明了系統(tǒng)具有很快的響應(yīng)速度，在進入穩(wěn)態(tài)之后，電流均基本為直流，但由于與同步轉(zhuǎn)速相關(guān)的電壓耦合項解耦不徹底，因此還存在少許波動。圖4說明了在轉(zhuǎn)速較低時，為了獲得較好的控制效果，調(diào)節(jié)器參數(shù)要相應(yīng)地加大，另外，由于電流反饋噪聲、計算精度和積分項的影響，使得電流存在波動，此時因同步轉(zhuǎn)速很小，所以電流之間受電壓耦合項的影響很小，穩(wěn)態(tài)時波動非常小。在2.3s左右受到一個反向力矩后轉(zhuǎn)速陡降2.0r/min，之后由于積分影響出現(xiàn)超調(diào)，最后穩(wěn)定到0～0.2r/min之間，從中可以看出0.1r/min的低速給定時，系統(tǒng)性能良好。 6 總結(jié) 本文闡述了轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)基于TMS320LF2407A DSP的數(shù)字化實現(xiàn)方法，分析了系統(tǒng)數(shù)字化實現(xiàn)中值得注意的幾個問題，并給出具體一個異步電機控制實例的實驗結(jié)果，證明了基于TMS320LF2407A的全數(shù)字化轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)能夠獲得高性能的控制效果。 7 附錄——（實驗中所用異步電機參數(shù)） 額定功率：3KW 額定相電壓：220V 額定頻率：50Hz 額定轉(zhuǎn)速：1430r/min 額定電流：6.6A 極對數(shù)：2 定子電阻：1.798 轉(zhuǎn)子電阻：1.781 定子電感：0.212H 轉(zhuǎn)子電感：0.2175H 互感：0.2066H 轉(zhuǎn)動慣量：0.055kg/m2