基于DSP的直接转矩控制系统的设计与实现

    摘要：开发了一种基于TMS320F240 DSP实现电机交流调速的直接转矩控制系统，介绍了系统的设计方案和软硬件的实现方法。实验结果表明，系统具有良好的性能。

    关键词：数字信号处理器 直接转矩控制 交流调速 异步电动机

随着电力电子和计算机技术的发展，高性能的异步电动机调速系统得到了广泛的应用。而高性能的交流调速系统，都离不开数字信号处理器。以往的数字信号处理速度很快，但控制功能较差。新型的F24X/C24X系列DSP是TI公司专门为三相交流调速开发的数字马达调速控制器，它既具有通用DSP的快速性，又兼有三相交流调速的控制功能。本文根据异步电动机直接转矩控制原理，开发出了基于TMS320F240 DSP的高性能交流调速系统。实验结果表明，采用TMS320F240 DSP的控制系统，具有硬件电路简单、性能优良的特点。

1 系统结构和原理

直接转矩控制系统的原理利用空间矢量分析法，采用定子磁场定向，将定子电流、电压进行3/2变换，从而直接在静止α-β坐标系下计算交流电动机的转矩和磁链，再分别与给定转矩和磁链进行比较，根据比较结果查找最优开关表格产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行控制。基本框图如图1所示。

由3相/2相坐标变换可以得到如下的定子电压和电流空间矢量表达式：

根据u-i模型，定子磁通的表示式为：

φs=∫(us-Rsis)dt (3)

而电磁转矩方程为：

T=np(φsαisβ-φsβisα) (4)

得到定子磁通和电磁转矩后，再与给定值进行较，根据比较结果和矢量角度θ确定合适的开关状态，产生PWM逆变信号，控制主回路逆变器的工作状态，从而实时地控制电机的转矩。

2 硬件系统设计

本交流调速控制系统以TMS320F240 DSP为核心，由整流器、电压型主回路和控制回路组成。整个系统按功率电路板、DPS控制板、15V开关电源等进行模块化设计。

2.1 功率电路

功率电路由EMS、不可控整流模块和IGBT逆变模块IPM构成，同时具有过流、过压等保护功能。通过电抗线圈，EMS消除来自电网的电磁干扰，提高整个系统的抗干扰能力。驱动电路选用日本三菱公司的智能IGBT逆变模块IPM（PM10RSH120），不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还具有过流、过压、欠压、温度等保护电路，不但可以保护IPM模块，而且也简化了片外的驱动电路，减少了系统的故障率。IPM的故障输出信号FO通过光电耦合器接到DSP的PDPINT端口，在IPM发生故障时，DSP能及时把所有事件管理器输出脚都置成高阻状态，禁止PWM信号输出，对系统进行保护。驱动回路选用惠普HCPL4504作PWM驱动电路，并进行隔离，以免强电串入DSP控制回路。图2给出一路驱动回路。

逆变器要求同一桥臂上下开关管始终有一个导通，另一个截止，而且必须互锁。因此PWM信号必须有一定时间的死区，否则将会造成同一桥臂上下开关管同时导通，导致IGBT模块烧坏。TMS320F240内集成死区调节电路，死区时间可在0～102μs内调节。系统死区时间由软件来设定，本系统取死区时间为4.5μs。

两相定子电流的检测采用两个磁平衡式霍尔电流传感器来完成，直接安装在功率板上，通过连接头将检测的信号送到TMS320F240控制板，利用片内ADC，获得实时的定子电流信号。

2.2 DSP控制板

DPS控制由TMS320F240 DSP、仿真调试接口JTAG、128K Words外部SRAM、10M晶振、硬件复位回路等构成，其核心为TMS320F240 DSP芯片，它是美国TI公司专门为三相交流调速而开发的数字马达调速控制器。TMS320F240强大的处理能力使面向电机控制的控制算法如矢量控制、直接转矩控制可以快速地实现。DSP控制板主要完成算法处理、PWM输出、模/数转换、与上位机通信及显示等任务。为了完成上述任务，本系统在DSP最小系统的基础上进行了扩展，16通道10位ADC接口用来接电流等反馈信号；RS232串口用于与上位机通信，显示数据、波形；16V8 GAL用于组合 控制信号。另外，还添加了LCD显示电路、键盘输入电路、3个34针外围接口（与功率板、传感器、键盘等相连接）以及电路模块。

2.3 开关电源模块

IPM对驱动电源要求较高，上桥臂的每个IGBT单元都需要单独的隔离的15伏电压供电，以增强抗干扰能力，降低电源噪音；下桥臂所有单元由一个公用的15V电源供电。因此电源模块包括4个彼此隔离的15V电源，为IPM模块的驱动电路提供能源。开关电源的核心是单片三端开关电源芯片TOP227，它将PWM控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内含PWM、功率开关场效应管、自偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路。

3 系统软件设计

整个系统的软件采用C2000 DPS汇编语言编写。TMS320F240通过事件管理器启动ADC，获得电流、电压信号，实现对磁通、转矩的控制。整个软件包括三个部分：初始化、故障诊断、GP TIMER1中断服务程序。系统的软件模块流程图如图3所示。其中，初始化模块主要完成电机参数的给定、变量赋初值、定时器时间的设定、定时器服务子程序地址的设定等。初始化流程图如图4所示。

中断服务程序是软件设计的核心，它完成几乎所有的控制算法，如ADC检测、3/2变换、磁通和转矩的计算、角度θ的获得、电压矢量选择、作用时间和死区时间的计算与设定、PWM的发生等，这个过程在一个采样周期（50μs）内完成。中断服务子程序流程图如图5所示。

PWM信号的产生是由时间管理器通过对特殊寄存器进行配置完成的，对称PWM寄存器配置代码如下：

SPLK #2840H，T1CON ；up/down count in 50ns steps

SPLK #PWM_PERIOD,T1PR ;PWM carrier frequency

;fpwm=50ns * 2 *

PWM_PERIOD

SPLK #1207H,COMCON ;CMPRx,T1PR reload at Timer 1

;ACTR reload at Timer1=0

;enable PWM1-6 outputs

SPLK #0207H ,COMCON ;SYMMETRICAL PWM

SPLK #0666H ,ACTR ;PWM 1,3,5 active high

;PWM 2,4,6 active low

SPLK #32E0H ,DBTCON ;dead band =2.5μs */

SPLK #8000,COMCON ;enable compare unit */

4 实验结果

上述直接转矩控制系统实验采用4极异步电动机：2.2kW；380V；2.5A；1500r/min。直流发电机作为异步电动机的负载。图6给出了转矩的阶跃响应曲线和定子磁链波形。实验结果表明，系统具较好的性能。

基于TMS320F240的高性能直接转矩控制系统，充分利用了TMS320F240的高速计算功能和丰富的片内外设资源，使交流调速系统结构简单，可靠性高。实验结果表明，本文提出的系统控制精度高，动态响应快，是一种高性能的交流调速系统。