基于DSP的交流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

?４７?文章編號(hào)：１００２—６８８６（２００８）０６一ｏ（）４７一０３基于ＤＳＰ的交流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)童玲（貴州省機(jī)械工業(yè)學(xué)校，貴州貴陽(yáng)５５０００１）摘要：以ＴＭｓ匏ｏＦ２４０７ＤｓＰ為被心攔麟器，設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)良的交流電機(jī)控制系統(tǒng)。其拯嗣電路主要包括主控模塊、電流檢測(cè)模塊、位置傳感器模塊、串尊電路、藏障檢測(cè)和保護(hù)電路等ｌ采用不對(duì)稱(chēng)橋式粹結(jié)構(gòu)謾許了功率變換器及其驅(qū)動(dòng)電路模塊｝采用速度和電流雙閉環(huán)＿１Ｉ．》形式，完成對(duì)交流電機(jī)的控制。－ｉ｜！－—美麓讕：交流電機(jī)ＤＳＰ雙閑環(huán)撥捌景锍ｉ中圈分類(lèi)號(hào)：ＴＰ２４文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼｛Ａ。＝一ＤｅｓｉｇＩＩｏｆＤ伽ｂｌｅＣｌｏｓｅｄＬｏｏｐＣ伽ｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＡＣ—ｍｏｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＤｓＰＴＯＮＧＬｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ：ＡｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆＡＣ—ｍｏｔｏｒｂａｓｅｄｏｎＴＭＳ３２０Ｆ２４０７ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｈａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｉｓｃｏｎ—ｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｎｃｌｕｄｅｓｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｌ。ｃｕｒｒｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｉｎｇ，ｆａｕｌｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｓｅｒｉａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ａｎ—ｉｓｏｍｅｒｏｕｓｂｒｉｄｇｅｔｏｐｏｌｏｇｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓａｎｄｄｒｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔ．Ｄｏｕｂｌｅｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｂａｓｅｄｏｎｖｅ—ｌｏｃｉｔｙａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌＡＣ—ｍｏｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＣ—ｍｏｔｏｒ，ＤＳＰ，ｄｏｕｂｌｅｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐ，ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍＯ引言處理速度信號(hào)、速度反饋信輸Ｌ號(hào)及電流傳感器、位置傳感出ｌ口—■交流感應(yīng)電機(jī)因?yàn)槠浜芏鄡?yōu)點(diǎn)如結(jié)構(gòu)牢固，運(yùn)行穩(wěn)健器的反饋信息，控制功率變％接ｌ一口ｒ＿可靠，成本低廉和高效率等而被廣泛使用。但是交流電機(jī)換器主開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)，實(shí)主蹬的可控制性不如直流電機(jī)，而在很多應(yīng)用中有如精確定現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的譽(yù)忑—＋輸Ｌ舍入ｌ位、轉(zhuǎn)距控制、速度控制等要求。為了實(shí)現(xiàn)這此功能和提控制。＝接ｌ高控制精度，需要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)和采用較為復(fù)雜、有ｆ１１．１．．．．．．．一效的控制算法，這些復(fù)雜的控制算法中包含了大量的數(shù)據(jù)１．２接口電路設(shè)計(jì)圖１硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖運(yùn)算及系統(tǒng)的適時(shí)性要求，對(duì)微處理器運(yùn)算能力和速度要ＴＭＳ３２０Ｆ２４０７接口電路如圖２所示，主要包括內(nèi)存求更高口］。但交流電機(jī)的控制以前大多采用單片機(jī)８０３ｌ、的擴(kuò)展、關(guān)鍵控制位跳線(xiàn)、外接晶振、ＪＴＡＧ仿真接口及一８０５１等進(jìn)行控制，其電路采用的元器件多、硬件結(jié)構(gòu)復(fù)系列的主要引腳。本系統(tǒng)外部?jī)?nèi)存由一片６４ｋ×１６的高雜、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性差、靈活性小。數(shù)字信號(hào)處理器速ＳＲＡＭＣＹ７Ｃ１０２１組成。程序的下載是通過(guò)ＪＴＡＧ接（ＤＳＰ）的出現(xiàn)為電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字化控制注入了新的生機(jī)，口完成的，這個(gè)接口通過(guò)轉(zhuǎn)換電路（仿真器），與ＰＣ機(jī)的使得實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的模塊化和全數(shù)字化成為可能。ＵＳＢ口相連。本文以ＴＭＳ３２０Ｆ２４０７ＤｓＰ為核心控制器，設(shè)計(jì)了一置瀣弱醢．盎飄尊蘭盛二濺差題１硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)｜｜卜Ｅ玉要三～世１．１系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)ｊ口Ｌ—交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由功率變換器、控制器、電流ＢＭ口ｌＷ＂和位置檢測(cè)單元以及交流電機(jī)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所圖２ＴＭＳ３２０Ｆ２４０７接口電路作者簡(jiǎn)介：童玲（１９８１一），女，助理講師，研究領(lǐng)域?yàn)樽詣?dòng)控制。收稿日期：２００８—８—２８萬(wàn)方數(shù)據(jù)’。。ｊ”｜?！?。：？”ｉ中國(guó)機(jī)械采購(gòu)網(wǎng)黼‘…‘…?！贝婆停！峨椒N性能優(yōu)良的交流電機(jī)控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的各功能模塊。采用不對(duì)稱(chēng)橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了功率變換器及其驅(qū)動(dòng)電路模塊。采用速度和電流雙閉環(huán)的形式，完成對(duì)交流電機(jī)的控制。示。功率變換器由交流電整流后的直流電供電，向交流電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)所需的能量?？刂齐娐肥窍到y(tǒng)的中樞，它綜合?４８?１．３功率變換器的設(shè)計(jì)圖５所示是位置傳感器的外圍電路。功率電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用不對(duì)稱(chēng)橋式電路，使得電機(jī)的１．５電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)每一相能夠獨(dú)立控制，最大限度地減少各相的關(guān)聯(lián)，保證系統(tǒng)中的電流檢測(cè)環(huán)節(jié)是電流傳感器，型號(hào)為電機(jī)各相獨(dú)立，避免了常規(guī)驅(qū)動(dòng)電路上下橋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的換ＴＢＣ０２Ａ０２。該電流傳感器是利用霍爾效應(yīng)和磁平衡原向直通現(xiàn)象，極大地提高了電機(jī)的運(yùn)行可靠性。圖３所示理制成的一種電流傳感器，能夠測(cè)量直流、交流，以及各種為單相不對(duì)稱(chēng)橋式電路及其驅(qū)動(dòng)電路原理圖，以ＩＲ２１０ｌ脈沖電流，同時(shí)在電氣上高度絕緣。經(jīng)過(guò)霍爾電流傳感為核心的電路構(gòu)成主開(kāi)關(guān)Ｑ１、Ｑ２的驅(qū)動(dòng)電路。引腳Ｈｉｎ器，需要檢測(cè)的電流信號(hào)按比例縮小為電壓信號(hào)，為了防及引腳Ｉ。ｉｎ分別為電機(jī)兩項(xiàng)繞組中的兩個(gè)Ｍ（）ｓＦＥＴ器件止后續(xù)電路對(duì)這個(gè)電壓檢測(cè)信號(hào)的干擾，系統(tǒng)利用運(yùn)算放的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端，此處由于交流電機(jī)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管是大器“虛短”和“虛斷”的原理設(shè)計(jì)了電壓跟隨器，如網(wǎng)６中獨(dú)立開(kāi)通和關(guān)斷，因此兩路控制信號(hào)完全獨(dú)立，但圖３中Ｕ３Ａ所示?；魻栐z測(cè)到電流信號(hào)后，由于電壓ＰｗＭ只畫(huà)出了一路隔離信號(hào)。Ｖｄｄ和ＶＳ分別是輸入端的電調(diào)制的影響，波形不可避免地會(huì)有一些毛刺，所以需要加源引腳和參考地引腳，為了防干擾，其間接有去藕電容，一個(gè)低通濾波器，濾波器的設(shè)計(jì)如圖７所示，采用二階壓ＳＤ為保護(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)該腳接高電平時(shí)，ＩＲ２１１０的輸控型低通濾波器。濾波電路的輸出在進(jìn)入ＤＳＰ和ＡＤ環(huán)出信號(hào)全被封鎖，其對(duì)應(yīng)輸出端恒為低電平，而當(dāng)該端接節(jié)之前，為了低電平時(shí)，則ＩＲ２１１０的輸出跟隨引腳Ｈｉｎ與Ｌｉｎ而變化，防止電壓太大因此在故障發(fā)生時(shí)，在ＳＤ端輸入高電平，即可達(dá)到保護(hù)損壞ＤＳＰ，還的目的。Ｈｏ和Ｌｏ分別是上下兩路輸出信號(hào)，引腳Ｖｂ、需經(jīng)過(guò)一個(gè)鉗Ｖｓ和Ｖｃ、ｃｏｍ分別是上下兩路輸出信號(hào)的電源和參考位電路，如圖地，它們之間接有去藕電容，其中Ｖｂ與Ｖｃｃ共同使用外７右邊所示。部電源（＋１５Ｖ），并通過(guò)自舉技術(shù)獲得的浮動(dòng)電源，從而ＤＳＰ芯片是使使同一電路可以同時(shí)輸出上、下兩路信號(hào)。外部電源與引用３．３Ｖ供圖６電流檢測(cè)電路腳Ｖｂ之間是充電二極管，該管的耐壓能力必須大于高壓電，所以電流母線(xiàn)的峰值電壓，為減小功耗，推薦采用一個(gè)超快恢復(fù)的檢測(cè)信號(hào)的電二極管。壓不能超過(guò)母線(xiàn)３．３Ｖ這個(gè)限制，因此系統(tǒng)負(fù)載設(shè)計(jì)了３．３Ｖ鉗位電路，使得輸入ＡＤ轉(zhuǎn)換模塊引腳的圖７濾波及鉗位電路圖３單相不對(duì)稱(chēng)橋式電路及主開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)原理圖模擬信號(hào)不超過(guò)３．３Ｖ。１．４位置傳感器設(shè)計(jì)１．６串口電路設(shè)計(jì)位置檢測(cè)的目的是確定定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，即要用位置傳感器檢測(cè)定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，然后位置信號(hào)回饋至＝：２（：１７一ｃｌ＋曉＋——【ｊ５ＤＳＰ確定對(duì)應(yīng)相繞組的山警寺ｃ－一匭４廣］—Ｔ一【：１８５０１ｌＪＦｌｏ一１一＋ｌ?５Ｖｒ＿——１ｉ～Ｖｃｃ（加通斷［２］。本文采用光電式位置傳感器，該種傳感一Ｒ２０——ｉ～＋Ｉ丑’Ｉ疆）Ｒ２Ｉ睜牡器由光電開(kāi)關(guān)和與轉(zhuǎn)子ＭＡＸ∞２同結(jié)構(gòu)的齒盤(pán)組成，參見(jiàn)圖４?！蛉靾D４光電式傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置圖＿ｉ當(dāng)齒擋Ｊ５÷Ｒ７ｌ。圖８串口接口電路住光電開(kāi)關(guān)ｉ二二ｒ—百—＿．１…ｌＫＪ２本系統(tǒng)中，所有的控制命令和檢測(cè)數(shù)據(jù)都是使用上位Ｒ２３的光路，光敏ｉ————ｉ————豐三葺而～：機(jī)軟件通過(guò)串口發(fā)送給ＤＳＰ來(lái)執(zhí)行的，因此串口通訊的管處于截止。，州：———１”ｏｃ１Ｋ接二二捕翥簍設(shè)置具有十分重要的作用?？刂破骱蜕衔粰C(jī)的通訊是通婪態(tài)。？亨槽接過(guò)置傳感器圖５位置傳感器接口電路過(guò)ＤＳＰ的ＳＣＩ模塊實(shí)現(xiàn)的，采用ＭＡＸ２３２作為ＲＳ２３２電位置，光敏管平與ＣＭ（）Ｓ電平的轉(zhuǎn)換，電路原理圖如圖８所示。感光處于通態(tài)。因此當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)將輸出兩路１．７故障檢測(cè)與保護(hù)電路信號(hào)，經(jīng)整形，便可以獲得與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的方波信號(hào)。為保證系統(tǒng)中功率變換電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路安全可萬(wàn)方數(shù)據(jù)?４９?靠地工作，ＤＳＰ控制器提供了ＰＤＰＩＮＴ（功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中在后臺(tái)完成調(diào)速功能。斷），當(dāng)器件引腳ＰＤＰＩＮＴ被置為低電平時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)２）初始化子程序：ＤＳＰ外部中斷。利用它可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種保護(hù)功能，控制器內(nèi)部集成了許多外圍具體實(shí)現(xiàn)電路如圖９所示。期間，在系統(tǒng)工作之前，需要對(duì)硬件進(jìn)行初始化，同時(shí)還要對(duì)有關(guān)控制標(biāo)志、初始參數(shù)、開(kāi)關(guān)量、工作單元、工作模式及中斷系統(tǒng)進(jìn)行初始一化，以保證各功能單元按設(shè)二一計(jì)要求下作。審旱Ｉ世輯毒雉扔㈣培８９ＲＫ共ＲＫＬＬｉ一、ｌＬ３）定時(shí)器中斷：完成圖９故障檢測(cè)與保護(hù)電路ＰＷＭ控制、轉(zhuǎn)速ＰＩ控制、換相控制以及角度和位置的估各種故障信號(hào)由或非門(mén)ｃ４Ｄ０７８綜合后，經(jīng)光電隔離計(jì)等功能。輸入到ＰＤＰＩＮＴ引腳。任何故障狀態(tài)的出現(xiàn)將使４０７８輸４）捕獲中斷：對(duì)捕獲單出低電平，ＰＤＰＩＮＴ引腳也被拉為低電平，此時(shí)ＤＳＰ內(nèi)定元檢測(cè)的位置信號(hào)進(jìn)行判斷時(shí)器立即停止計(jì)數(shù)，所有ＰＷＭ輸出管腳全部呈高阻態(tài)，并處理。同時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知ＣＰＵ有異常情況發(fā)生。整個(gè)過(guò)程不需要程序干預(yù)，全部自動(dòng)完成，這對(duì)實(shí)現(xiàn)各種故障狀３結(jié)論態(tài)的快速處理非常有利。本文設(shè)計(jì)了一種基于圖１１主程序流程圖２軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)ＤｓＰ的交流電機(jī)控制系統(tǒng)。功率變換主電路采用不對(duì)稱(chēng)橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；控制電路采用基于ＤＳＰ（ＴＭｓ３２０ＬＦ２４０７）以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７為核心的交流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系的控制方案；位置傳感器采用光電式位置傳感器，電流傳統(tǒng)控制策略如圖１０所示口３。系統(tǒng)有兩個(gè)反饋環(huán)，即速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。速度反饋信號(hào)取自位置傳感器輸出的感器采用ＴＢＣ０２Ａ０２；設(shè)計(jì)了串口通信和故障保護(hù)電路；采用速度和電流雙閉環(huán)的控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的控轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，與給定速度比較后作為速度環(huán)ＰＩ調(diào)節(jié)器制；速度調(diào)節(jié)器采用全數(shù)字ＰＩ調(diào)節(jié)；采用模塊化編程方的輸入。而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出值作為電流指令，再與電流法，編制了控制程序。傳感器測(cè)出的實(shí)際電流比較，形參考文獻(xiàn)成電流偏差，以控制ＰＷＭ信號(hào)圖１０交流電機(jī)控制策略框圖１基于ＤＳＰ和Ｆ（）Ｃ控制算法的交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)．微計(jì)算機(jī)信的脈寬。息，２００４：２０（９）：３３—３５根據(jù)所制定的控制策略，采用模塊化編程方法編制的２王曉明，王玲．電動(dòng)機(jī)的ＤｓＰ控制．北京：北京航空航天大學(xué)出版控制程序，流程圖如圖１１所示。軟件主要由以下程序模社，２００４３李仁果，李天博．交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)．計(jì)算機(jī)仿塊組成：真，２００４：２１（４）：３５—３７１）主程序：通過(guò)調(diào)用各子程序，執(zhí)行相應(yīng)的控制指令，牛?爭(zhēng)?牛?孛?牛?奪?爭(zhēng)?專(zhuān)?牛?爭(zhēng)?牛?牛?牛?÷?豐?÷?爭(zhēng)－辛?孛?爭(zhēng)?÷?一｝?一：，?《一?≮…扣＋?‘??牛?一｝“：…扣≮…ｏ＋?‘｝?＋?÷?‘｝一｛，?幸?幸’÷‘牛。＋‘幸。｛一爭(zhēng)?＋（上接第４３頁(yè)）波動(dòng)系數(shù)也下降了一倍多，優(yōu)化前舉升力隨舉升角的變化波動(dòng)較大，達(dá)到最大舉升角時(shí)，舉升力上升明顯；而優(yōu)化后，舉升力曲線(xiàn)走勢(shì)平緩，與理想油壓特性曲線(xiàn)（如圖６所示）形狀相似，優(yōu)化后效果明顯。參考文獻(xiàn)圖５優(yōu)化前、后的舉升力變化曲線(xiàn)由圖５可知，在優(yōu)化尊．１馬銳，張文明．基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的自卸汽車(chē)舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化［Ｊ］．起前油缸的最大舉升力值凜ｌ重運(yùn)輸機(jī)械．２００７年０７期和起始舉升力值分別為２馬交星．特種車(chē)輛．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，２００６．１２１６２ｋＮ和１３２ｋＮ，而在３尹雄武．輕型自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［Ｊ］．專(zhuān)用汽車(chē)，２００３年０５優(yōu)化后分別為１１６ｋＮ和期：１６—１７１０８ｋＮ，各下降了２８．４％圖６理想的油壓特性曲線(xiàn)４鄭建榮．ＡＤＡＭＳ一虛擬樣機(jī)技術(shù)入門(mén)與提高．北京：機(jī)械工業(yè)出和２０．７％（舉升力系數(shù)也有相同幅度的下降）。同時(shí)油壓版社，２００１．１１５崔新濤，畢風(fēng)榮．自卸汽車(chē)舉升