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做座高性能DSP在直接转矩控制系统中的应用

发布时间:2021-10-09 23:28:58 阅读: 来源:装载机配件厂家

高性能DSP在直接转矩控制系统中的应用

摘要:直接转矩控制(Direct Torque Control)是一种新颖的异步电动机调速方案,它是在定子坐标系下,通过检测定子电压、电流等变量,直接计算和控制电动机的磁链与转矩,获得转矩的高动态性能。DSP具有运算速度快、处理能力强和实时性好等特点,这使得很多复杂的控制策略和控制算法得以容易地实现。本文介绍直接转矩控制的基本原理、高性能TMS320F2812数字信号处理器的体系结构和主要特点、TMS320F2812在异步电机直接转矩控制系统中的应用。

1 引言

随着电力电子技术、微电子技术、控制理论的高速发展,交流调速技术得到了长足的发展,在高性能的交流调速领域内出现了矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)两种控制思想。其中DTC技术摒弃了VC中的需要解耦的控制思想,它具有简单的控制结构、良好的动静态性能和快速的响应速度等特点,它一诞生就得到了广泛关注,目前已成为研究的热点问题。本文将介绍基于TMS320F2812 DSP芯片的交流感应电动机直接转矩控制系统。

2 直接转矩控制原理结构

直接转矩控制系统基本原理图如图1所示。

图1 直接转矩控制基本原理图

在图1中,逆变器有三个桥臂,每个桥臂上存在互锁的两个开关Si、(i=1,2,3),通过控制Si的开关状态如图1(a)所示,可以得到8个电压空间矢量Us(加到电动机定子绕组上),其中6个为工作电压空间矢量,它们等幅且两两相隔60°,连接这6个电压空间矢量的顶点可构成一个正六边形,另外的两个为零矢量,位于六边形的中心,如图1(b)所示。通过正确的开关的通断,可顺序形成不断旋转的电压空间矢量,从而在异步电动机气隙形成旋转的磁链,而通过零矢量的恰当选择可以控制磁链的平均旋转速度。定子磁链Ψμ、转子磁链Ψγ以及转矩之间Td存在关系:,θ为定子磁链与转子磁链之间的夹角,即磁通角,Lσ为转子漏感。在实际的运行中,为充分利用电动机铁心,保持定子磁链幅值为额定值,而转子磁链幅值由负载的大小决定,要改变电动机转矩的大小,可以通过改变磁通角θ的大小来实现。在直接转矩控制技术中,其基本控制方法就是通过电压空间矢量Us来控制定子磁链的旋转,控制定子磁链的走走停停,以改变定子磁链的平均旋转速度的大小,从而改变磁通角θ的大小,以达到控制电机转矩的目的[1]。

3 高性能DSP TMS320F2812芯片

在直接转矩控制系统中,DSP芯片是控制器的核心,所有复杂的控制算法和控制策略都通过它来实现。TMS320F2812是Texas公司C28TM系列中最新成员,其高速的运算能力、强大的实时处理能力和高度集成化的设计结构,使得它在控制领域内得到了人们的青睐。下面介绍TMS320F2812主要特点,其结构框图[2]如图2所示。

图2 TMS320F2812功能图

TMS320F2812的CPU是基于C28xTM的32位定点内核,主频达150MHz。TMS320F2812芯片具有高度集成的结构,在片内集成大量的外设(如图2所示),这些外设包括:事件管理器EVA/EVB、16通道12位模数转换器ADC、看门狗定时器Watchdog、通用输入输出引脚GPIO、多通道缓冲串行外设McBSP、改进CAN总线接口、双通道串行通信接口SCIA/SCIB、串行外设接口SPI等。与C28xTM DSP以前的芯片相比,TMS320F2812有自己的特13. 电源电压: 220V点:

(1) 它是C2000系列中第一代32位的定点DSP芯片(C24xTM为16位DSP芯片);

(2) 芯片内部有3个32位定时器;

(3) 具有12位的ADC(以前的为10位)和双通道SCIA/SCIB;

(4) 有多通道缓冲串行外设McBSP;

(5) 采用改进的哈佛结构和八级流水线作业;

(6) 存储空间大大扩展,其片内存储器资源包括:128K字×16位的Flash存储器、128K字×16位的ROM、1K字×16位的OPT ROM、一块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) 可以执行32×32位的二进制补码乘法操作,并产生64位的结果;

(8) 它是C2000系列性能最高的芯片,处理速度达150MIPS,实时处理能力强,能应用于很多复杂的控制算法如无速度传感器的定向控制、运动轮廓的识别和功率因数的校正等,并且其代码与以前各个型号的DSP兼容,它也是目前处理C/C++代码效率最高的DSP芯片(就C2000系列而言)。由于这些特点,TMS320F2812DSP有着广泛的应用空间。

4 基于TMS320F2812的直接转矩控制系统

由于DSP的优越性能,它可被用于数字化控制中,现介绍一个基于TMS320F2812 DSP 的直接转矩控制系统,其方框图[3]如图3所示。

图3 基于DSP的直接转矩控制系统原理图

4.1 系统组成及其控制原理

“AIREX T92 ...被选择由于其优良的抗压强度

系统主要由交流电源、整流滤波电路、逆变模块IPM、交流异步电动机M、TMS320F2812DSP芯片、电压电流检测电路、PWM脉冲及光耦电路、光电编码器、键盘显示及上位机组成。

DSP接收到PC上位机发出的输入信号后,将其转换为PWM输出,经过PWM脉冲电路驱动放大后送给逆变器,逆变器的输出信号接到三相异步电机的定子绕组。从DSP输出的PWM脉冲可以控制逆变IPM模块电路的开关状态,而逆变器开关状态的改变,可在电机定子上形成旋转的电压空间矢量。通过工作电压空间矢量和零矢量的交替选择,可以控制定子磁链的走走停停,这样磁通角(定子磁链和转子磁链的夹角)的大小也相应地随之改变,从而达到直接控制电动机转矩的目的。光电编码器检测电机的转动方向及转角,其输出信号反馈回DSP的正交编码脉冲电路(QEP),形成闭环控制,实时有效地控制电动机。

4.2 系统核心—TMS320F2812 DSP控制器

整个系统以TMS320F2812为核心,所有复杂的控制算法及控制策略都是通过TMS320F2812控制器来实现的。从图3知,该系统涉及到DSP的大部分集成外设,如:事件管理器EV、串行通讯接口SCI、串行外设接口SPI、模数转换器ADC、PWM发生模块以及JTAG仿真接口等。下面简单介绍各模块的功能。

(1) 事件管理器EV

它是一个专门为控制系统(运动控制和电机控制)设计的模块,包括通用定时器(GP)、全比较单元、捕获单元和正交编码脉冲电路(QEP)等四个基本单元。在该系统中,利用正交编码脉冲电路(QEP)对引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2(EVA)或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4(EVB)上的正交编码脉冲进行解码和计数,直接处理光电编码盘的正交编码脉冲,通过检测2路信号的相位关系可以判断电机的位置和速度信息。此外,事件管理器内部有PWM发生电路,可产生PWM波形,用于控制逆变器开关的通断时间。

(2) 串行通讯接口SCI

TMS320F2812设有双通道异步串行外设通信口(包括SCIA和SCIB,24x系列中只有一个SCI),在该系统中它与RS-232 或者RS-485等标准接口相接,用于DSP的CPU与PC上位机之间的数字通信。支持半双工、全双工等通信模式。

(3) 串行外设接口SPI

SPI是一个高速同步串行I/O口,在该系统中SPI连接DSP控制器和显示器,用于DSP和外部外设之间的数据通信。典型应用还包括作为外部I/O或用于对外设(ADC、显示驱动器等)进行扩展。

(4) 模数转换器ADC

ADC模块是一个带采样/保持电路的12位模数转换器,具有自动排序能力,一次最多可执行16个通道的自动转换。它的转换速度很快,在25MHz的ADC时钟时,执行一次转换操作时间为80ns[4],比F2407快得多。该系统采用回收站只是进行了粗分选一个电压传感器和两个电流传感器,通过检测逆变器前端的母线电压Udc,经ADC采样后可根据当前的开关状态计算逆变器输出电压的usα和usβ分量;同时,电机的两相电流由电流传感器检测后也经ADC模块采样,再经过3/2变换,可求出电流分量isα和isβ,最后根据有关公式可算出磁链和转矩的大小。

(5) JTAG仿真接口

用于系统的仿真和测试。

4.3 逆变模块IPM

为了提高逆变电路的可靠性,系统采用日本三菱的IPM智能模块,型号为PM25RSB120,其内部有7只IGBT,除用于三相桥臂外,另外一只可做泵升电压的旁路开关。IPM不仅将功率器件IGBT和驱动电路集成在一起,而且对过流、过压、过热以及控制电压欠压等故障具有自动保护的功能,是一种故障率低、又可使装置小型化和轻量化的功率器件,还可以大大降低输出电压低次谐波的含量。当检测信号之一不正常时,DSP迅速将PWM输出端设为高阻,封锁脉冲输出,从而进行有效保护。

为避免DSP工作不正常时IPM的上下桥臂“直通”现象,在每对PWM信号先加互锁电路,然后到隔离驱动和电平转换再送IPM的控制端,如图4所示[5]。

图4 IPM门极互锁驱动电路

IPM采用四组独立的15V驱动电源供电,光耦用快速6N137,以保证隔离信号响应快,输出信号好。系统中的其它模块在此不作介绍。

5 结束语

基觇标间距用钢尺丈量于TMS320F2812的高性能直接转矩控制系统,充分利用TMS320F2812运算速度快、处理能力强、实时性好和高度集成等优点,系统结构简单可靠、控制精度高、动态响应快,是高效的交流调速控制系统。另外TMS320F2812具有体积小、功能全、可靠性高、成本低、可扩展性强等特点,可广泛应用于工业数据采集和控制等应用领域,同时它也为实现数字化控制提供了有效的途径。(end)

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