基于DSP芯片TMS320LF2407A和μc／OS-Ⅱ實現(xiàn)異步電機矢量控制設計

作者：張偉，黨存祿，劉媛，楊建

交流異步電動機調速系統(tǒng)的矢量控制技術是上世紀70年代迅速發(fā)展起來的一種新型控制技術，它通過矢量的坐標變換使交流異步電動機獲得如同直流電動機一樣良好的動靜態(tài)調速特性。由于交流異步電動機是非線性、強耦合、多變量的時變參數(shù)系統(tǒng)，對其進行控制較為復雜，通過普通的單片機難以實現(xiàn)較好的實時性和快速性控制的效果。隨著數(shù)字信號處理器（DSP）的推出，全面數(shù)字化的交流調速系統(tǒng)發(fā)展十分迅速。TMS320LF2407A是TI公司專為電機控制設計的高性能、低價位的定點DSP芯片，以16位定點CPU為內核，配置了較完備的外圍設備，形成了真正的單芯片控制器。為了有效管理多任務并滿足系統(tǒng)的實時性要求，需要使用嵌入式實時操作系統(tǒng)。μc／OS-Ⅱ是一個源代碼開放的實時操作系統(tǒng)，具有可剝奪實時內核、可移植性強、多任務、執(zhí)行時間可確定性等特點。

1 矢量控制系統(tǒng)的基本原理

交流異步電動機的矢量控制系統(tǒng)是按磁場定向的矢量控制系統(tǒng)。其基本思想是模擬直流電動機控制，在遵循磁勢和功率不變的原則下，利用坐標變換將交流電動機的三相系統(tǒng)等效為直流電動機的兩相系統(tǒng)，經(jīng)過按轉子磁場定向的同步旋轉變換，實現(xiàn)對定子電流勵磁分量和轉矩分量之間的解耦，從而達到分別控制交流異步電動機的磁鏈和轉矩的目的。

1.1 矢量坐標變換

Clarke變換是將三相平而坐標系OABC向兩相平面直角坐標系Oαβ的轉換。其變換和逆變換矩陣分別為：

Park變換是將兩相靜止直角坐標系Oαβ向兩相旋轉直角坐標系OMT的轉換。其變換和逆變換矩陣分別為：

式中，φS為M軸與α軸的夾角。

1.2 轉子磁鏈位置的計算

交流異步電動機的轉子機械轉速不等于轉予磁鏈轉速，因此，不能通過佗置傳感器或速度傳感器直接檢測到交流異步電動機的轉子磁鏈位置，而需要在OMT坐標系中，通過對電動機的電流模型得出：

進行離散化處理，得到下式：

式中，K為常數(shù)327.68。

由式（7）、（8）、（9）即可求出轉子磁鏈的位置θ。

1.3 矢量控制系統(tǒng)分析

該系統(tǒng)是采用轉速和電流雙閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)，原理圖如圖1所示。

通過霍爾傳感器測量智能功率模塊（IPM）輸出的定子電流iA、iB，經(jīng)過DSP的A／D轉換器轉換成數(shù)字量，并利用式iC=-（iA+iB）計算出iC。通過Clarke變換和Park變換將電流iA、iB、iC變換成旋轉坐標系中的直流分量iM、iT，iM、iT作為電流環(huán)的負反饋量。利用1024線的增量式編碼器測量電動機的機械轉角位移，并將其轉換成轉速n。轉速n作為速度環(huán)的負反饋量。由于交流異步電動機的轉子機械轉速與轉子磁鏈轉速不同步，所以用電流一磁鏈位置轉換模塊求出轉子磁鏈位置，用于參與Park變換和逆變換的計算。

給定轉速n*與轉速反饋量n的偏差，經(jīng)過速度PI調節(jié)器輸出用于轉矩控制的電流T軸參考分量iT*。iT*和iM*（設為零值）與電流反饋量iT、iM偏差經(jīng)過電流PI調節(jié)器，分別輸出M、T旋轉坐標系的相電壓分量VM*、VT*。VM*、VT*再通過Park逆變換轉換成α、β直角坐標系的定子相電壓欠量的分量Vα*、Vβ*。當定子相電壓矢量的分量Vα*、Vβ*和其所在的扇區(qū)數(shù)已知時，就可以利用電壓空間矢量SVPWM技術，產生PWM控制信號來控制智能功率模塊6個橋臂的通斷。

以上過程可以采用軟件實現(xiàn)，從而對交流異步電動機實施全數(shù)字實時控制。

2 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)采用交-直-交電壓源型變頻電路，主電路由整流電路、濾波電路以及智能功率模塊（1PM）逆變電路構成，控制電路以DSP芯片TMS320LF2407A為核心，輔以電流電壓信號采集、速度檢測、過壓過流保護、人機接口以及上位機通信等單元，從而構成功能齊全的全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的參數(shù)由上位機通過RS232接口下傳給下位機，DSP負責采樣各相電流、計算電動機的轉速和位置，最后運用矢量控制算法得到電壓空間矢量SVPWM控制信號，經(jīng)過隔離光耦HCPL4504，驅動逆變器功率開關器件；同時DSP還監(jiān)控變頻調速系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓、過熱等故障時，DSP將封鎖SVPWM信號使電動機停機，并通過LCD進行顯示。系統(tǒng)結構如圖2所示。

下位機控制的核心芯片采用TMS320LF2407A，其主頻為40MHz。關于該芯片的介紹，詳見參考文獻。下面簡述系統(tǒng)的主要硬件模塊。

2.1 智能功率模塊IPM

系統(tǒng)使用的IPM是三菱公司生產的PM25RSA120。它由7個IGBT單元封裝，額定電壓為1 200V，額定電流為25A。IPM與普通IGBT模塊相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進一步的提高，使設計和開發(fā)變得簡單。由于IPM通態(tài)損耗和開關損耗都比較低，使得散熱器尺寸減小，因而系統(tǒng)尺寸也減小。尤其是IPM集成了驅動和保護電路，使系統(tǒng)的硬件電路簡單可靠，并提高了故障情況下的自保護能力。IPM模塊內置保護功能有：控制電源欠壓鎖定、過熱保護、過流保護、短路保護。如果IPM模塊中有一種保護電路動作，則IGBT柵驅動單元就會關斷電流并輸出一個故障信號。

2.2 電流信號采集模塊

用CSM025A型號的磁平衡式霍爾電流傳感器（簡稱LEM）檢測三相輸出中的二相電流iA、iB，通過計算得出 第3相電流iC=-（iA+iB），從而獲得實時的輸出電流信號，為矢量控制提供實時信號。因為TMS320LF2407A片內集成的模數(shù)轉換模塊ADC的輸入必須為0～3.3V，所以應將LEM輸出的電流信號通過采樣電阻轉換為符合要求的電壓信號，放大濾波后接ADC口。

2.3 轉子位置檢測模塊

系統(tǒng)采用的增量式光電編碼器每轉可產生1 024個脈沖。其輸出A、B信號線直接接人DSP的編碼器接口QEP1和QEP2引腳。DSP的正交編碼脈沖電路自動利用每個A、B信號脈沖的4個沿（2個上升沿和2個下降沿）對輸入信號4倍頻，這樣就可以使每轉得到4 096個脈沖，提高了分辨率。此外，還對電動機的運動方向進行判別，由一個16位的計數(shù)器對脈沖信號計數(shù)，并計算出當前時刻的轉子位置角度。

2.4 人機接口模塊

利用DSP的I／O口及中斷方式，管理點陣圖形式FYD12864-0402B液晶顯示器與4個按鍵，實現(xiàn)菜單式人機交互。該模塊可實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設定、檢測結果顯示以及保護報警信號顯示等功能。

3 系統(tǒng)軟件設計

μC／OS-Ⅱ是一個內核很小的嵌入式實時操作系統(tǒng)，整個代碼可分為內核層和移植層，從而更便于移植。它采用搶占式調度策略，保證任務的實時性；能夠管理多達64個任務；提供了郵箱、消息隊列、信號量、內存管理、時間管理等系統(tǒng)服務。同時，它又是一個開放源代碼的操作系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)升級和日后的維護都非常方便。μC／OS-Ⅱ的內核采用標準的C語言代碼編寫，易于移植到各種微處理器上。

交流異步電動機矢量控制系統(tǒng)中的各種功能可以劃分為不同優(yōu)先級的任務，通過實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)對所有任務的調度管理，解決在單任務中難以處理的實時性差的問題，同時又可以增強系統(tǒng)工作的可靠性。

要將μC／OS-Ⅱ應用于該系統(tǒng)，必須先移植到TMS320LF2407A中。移植工作主要有以下幾個部分：（1）在OS_CPU.H中定義數(shù)據(jù)類型和開／關中斷函數(shù)以屏蔽編譯器和處理器；定義堆棧的增長方向；定義任務切換函數(shù)。（2）在OS-CPU.C中，用C嵌入?yún)R編語言編寫以下函數(shù)：OSTaskstkInit（ ）、OSCtxSw（ ）、OSStartHighRdy （ ）、OSIntCtxSw（ ）、OSTicksr（ ）、OSTaskCreateHook（ ）、OSTaskSw-Hook（ ）、OSTaskDelHook（ ）、OSTaskstatHook （ ）和OSTimeTickHook（）。任務的全部信息都保存在相對應的任務控制塊和堆棧中，因此任務的切換要處理任務控制塊和堆棧。涉及任務控制塊的工作是：（2）保存被切換任務的堆棧指針到當前任務控制塊；（2）將當前任務控制塊指向最高任務控制塊；（3）取出當前任務塊存儲的堆棧地址。

根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，可將整個系統(tǒng)劃分為以下幾個并行存在的任務：信號采集、電動運行、再生制動、狀態(tài)顯示。另外還設計了2個中斷子程序，用于實現(xiàn)4個按鍵的輸入及智能功率模塊IPM對短路、過流、過壓、欠流、欠壓等情況的保護功能。每個任務都分配了優(yōu)先級和內存空間。任務越重要，賦予的優(yōu)先級應越高，數(shù)值越小表示優(yōu)先級越高。再生制動任務優(yōu)先級設為最高，因為該任務實時性最高，若不能及時啟動或過早結束均會對系統(tǒng)造成損害；信號采集任務運行最頻繁，為其他任務提供可靠必需的參數(shù)，故設其優(yōu)先級為次高；顯示任務實現(xiàn)菜單和控制參數(shù)的顯示，人機交互，對控制器性能沒有直接影響，優(yōu)先級設為最低；電動運行任務是常規(guī)狀態(tài)，優(yōu)先級設為次低。該系統(tǒng)采用靜態(tài)優(yōu)先權，即運行過程中任務優(yōu)先權不變。各任務之間的通信通過信號量進行，故應使OS_SEM_EN=1。

在該嵌入式實時操作系統(tǒng)下編寫的DSP軟件流程非常簡單易讀，其具體流程圖如圖3所示。

電動運行任務是系統(tǒng)中最主要的任務，它接收郵箱或消息隊列傳遞過來的消息，實現(xiàn)控制算法的在線調節(jié)，控制電機的加減速及勻速運行。其程序流程如圖4所示。

4 試驗結果

系統(tǒng)的試驗對象是一臺鼠籠式交流異步電動機，具體參數(shù)為：額定功率0.6kW、額定電流2.75A、額定電壓220V、額定轉速1400r／min。分負載與空載兩種情況做試驗，設定頻率為50Hz，用數(shù)字示波器測量異步電機定子的相電流，測量得到的相電流波形如圖5、圖6所示。設定頻率為40Hz時，對從空載到負載的轉速和相電流進行觀察，波形如圖7所示。

從示波器存儲截圖中可以看出，在空載與負載的情況下，調速范圍寬、靜差率小，其性能優(yōu)于一般的直流調速系統(tǒng)；相電流幾乎接近正弦波，實現(xiàn)了恒轉矩控制。當電動機的負載轉矩突然增加時，電動機的相電流和轉速響應很快，穩(wěn)態(tài)誤差接近4％。由此可見系統(tǒng)具有優(yōu)良的動靜態(tài)性能。

該系統(tǒng)給出了交流異步電動機矢量控制技術基于DSP的嵌入式實時解決方案。試驗結果證明了交流調速系統(tǒng)在運用了矢量控制技術后，具有動靜態(tài)性能好、抗干擾能力強、保護功能完善等特點。此外，將嵌入式實時操作系統(tǒng)移植到控制器中，增強了系統(tǒng)的實時性及可靠性。

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