摘要：本文以直接轉矩控制技術為基礎，以TMS320C240DSP為控制核心，建立了一種全數字化高性能通用變頻調速系統，給出了相關的軟硬件設計方案。測試結果表明，系統具有優良的動、靜態性能。 關鍵詞：直接轉矩控制 DSP 變頻器 Abstract：The paper sets up a kind of fully digital general VVVF system with high performance is developed. In the system, the direct self-control theory is based on, the single chip microcomputer DSP is used as control centre, and puts out software and hardware project. The testing results proves that it has good dynamic and static performance. Keywords：DSR；DSP；Inverters 0 引言 隨著VLSI和控制理論的發展，高速、高集成度、低成本的微控制器及專用芯片相繼問世，使全數字化的交流調速系統成為可能。用軟件取代模擬器件，可以方便地修改控制策略、修正控制參數，此外還可以具有故障檢測、自診斷和上位機管理與通信等功能。正是順應這一發展方向，許多芯片廠家紛紛致力于數字電機微控制器的研制與生產，如國內較為流行的Motorola MC68HC16系列、Intel MCS96系列以及TI的TMS320X24X系列等。美國TI（德州儀器）公司自82年發明第一片數字信號處理器（DSP），又于97年推出數字電機微控制器TMS320C240。該芯片面向新一代交流電機控制，具有DSP的高速運算能力與面向電機的高效控制能力于一體，堪稱業界最具有競爭力的數字電機控制器。本文也是根據這一發展方向，使用最新的變頻器芯片和變頻控制理論，致力于新型智能變頻器的研究。 1直接轉矩控制的主要特點 直接轉矩控制變頻調速技術，德語稱之為DSR （Direkte Selbstregelung），英語稱之為DSC（Direct Self-control），是近 10年來繼矢量控制變頻調速技術之后發展起來的一種新型的具有高性能的交流變頻調速技術。 直接轉矩控制有以下幾個主要特點：（1）直接轉矩控制直接定子坐標系下分析交流電動機的數學模型、控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉化:既不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解禍而簡化交流電動機的數學模型。它省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換與計算。因此，它所需要的信號處理工作特別簡單，所用的控制信號使觀察者對于交流電動機的物理過程能夠作出直接和明確的判斷。（2）直接轉矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。而矢量控制磁場定向所用的是轉子磁鏈，觀測轉子磁鏈需要知道電動機轉子電阻和電感。因此直接轉矩控制大大地減少了矢量控制技術中控制性能易受參數變化影響的問題。（3）直接轉矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數學模型和控制其各物理量，使問題變得特別簡單明了。（4）直接轉矩控制強調的是轉矩的直接控制與效果。它包含有兩層意思：①直接控制轉矩；②對轉矩的直接控制。1）直接控制轉矩與著名的矢量控制的方法不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量，直接控制轉矩。因此它并非極力獲得理想的正弦波波形，也不專門強調磁鏈的圓形軌跡。相反，從控制轉矩的角度出發，它強調的是轉矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。2）對轉矩的直接控制在接轉矩控制技術對轉矩，實行直接控制。其控制方式是，通過轉矩兩點式調節器把轉矩檢測值與轉矩給定值作帶滯環的比較，把轉矩波動限制在一定的容差范圍內，容差的大小，由頻率調節器來控制.因此它的控制效果不取決于電動機的數學模型是否能夠簡化，而是取決于轉矩的實際狀況。它的控制既直接又簡化。對轉矩的這種直接控制方式也稱之為“直接自控制”。這種“直接自控制”的思想不僅用于轉矩控制，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。但以轉矩為中心來進行綜合控制。 2 實現方案 高的集成度和精簡的電路結構是系統可靠的保障。從性能、成本和可靠性等各方面綜合論證，系統采用了全數字化設計，采用了最新的芯片。主電路采用三菱公司的智能功率模塊ASIPM PS1103X系列中的PS11032，控制電路采用德州儀器公司的’C23x系列DSP控制器的TMS320C240。這使得系統硬件極大的簡化，減輕了系統的設計工作。該系統功能框圖如圖1所示。 2.1 主電路的設計 變頻器主要包括主電路和控制電路兩部分電路。主電路主要由整流電路、直流中間電路和逆變電路以及有關輔助電路組成。本系統中主電路采用了三菱電機公司最新出品的智能功率模塊PS11032。 由于PS11032內含的驅動電路設置了最佳的IGBT驅動條件，驅動電路與IGBT間的距離很短，輸出阻抗很低，因此，不需要加反向偏壓。其中最為方便的是PS11032可以直接與CPU相連，不需要通過隔離電路。PS11032的驅動電路的輸入腳 通過10k的限流電阻和5.1k的上拉電阻，直接連接到CPU的輸出腳上。 2.2 控制電路設計 控制電路是變頻器電路最重要的部分，控制電路的優劣決定變頻器性能的優劣。控制電路的主要作用是由檢測電路得到的各種信號，為變頻器主電路提供必要的門級驅動信號，并對變頻器以及異步電動機提供必要的保護。控制電路以TMS320C240DSP為核心，并配置了32k字的程序存儲器和8k字的數據存儲器。 在系統設計中，C240使用20MHz外部晶振，單周期指令使C240運算能力達20MIPS。C240帶有4K字的Flash EEPROM，在外部我們又擴展了32k字的SRAM程序空間和 8k字的 SRAM數據空間。系統程序的編制采用了以功能塊為基礎的程序組件模塊化的方法，這種方法便于按功能自由組合，編寫調試都比較方便。主程序在上電開始時對系統進行自檢，然后將系統程序從EPROM轉移至RAM以利用DSP的快速性，初始化系統參數，其主要負責背景任務，如顯示的刷新等，流程圖如圖2所示。 2.2.1 雙A/D轉換器與檢測電路的連接 TMS320C240配置有兩個帶采/保的各8路 10位 的A/D轉換器，可并行處理模擬量，模擬量可包括：反饋的速度、位置、溫度傳感、電壓傳感和電流傳感信號等。為了保證定子電流檢測的精度和速度，我們采用了科海公司的KT系列霍爾傳感器，其輸出為0～5V的信號，經過儀表放大器AD623調整后，直接連到TMS320C240本身配置的A/D轉換器上。逆變器直流電壓經電壓傳感器采樣后，由儀表放大器AD623調整后，也直接連到TMS320C240本身配置的AID轉換器上。 速度檢測電路采用光電編碼器，它直接將電機角度和位移的模擬信號轉換為數字信號，其輸出信號直接連到TMS32OC240本身配置的正交編碼脈沖單元上。兩路 A/D轉換器各負責兩路模擬信號，并預留出接口供系統擴展或升級使用。A/D中斷響應子程序輪回采樣并將結果讀入內存，流程如圖3所示。 2.2.2 SPI串口和SCI串口與通信電路 TMS32OC240片內外設還包括一個異步串行通訊口（SCI）和一個同步串行通訊口 （SPI ）。SCI口即通用異步收發器（DART），用于與 PC機串口等標準器件通信，可采用RS一232/485協議等，最大波特率625kbpse SPI口可用于同步數據通信，最大波特率 2. 5Mbps，典型應用包括外部 I/0或外設擴展，如移位寄存器、顯示驅動、A/D轉換器等.SPI 1-1共有3根通信線：串行輸入數據線SPISOMI,串行輸出數據線SPISIMO和同步時鐘線SPICLK，另1根控制線SPISTE是從機選通線。 在系統中，利用 TMS320C240的 SPI串行接Cl擴展了一個串行 EEPROM芯片X25045, X25045可提供512字竹的EEPORM ｛I]于保存系統設置。同時，使用一片ADM233擴展一個RS232接口，能夠與計算機通信，交換數據。 2.2.3 人機界面電路 人機界面電路顯示采用了液晶顯示器（20字符x2行）。在變頻器運行之前顯示變頻器的設定值：在變頻器運行時它是監視器，顯示電動機的運行狀態，實時顯示電動機的基本運行數據，如電動機的電流、電壓、變頻器的輸出頻率、轉速等；在變頻器發生故障時，顯示故障的種類、故障時的運行狀態等，便于分析故障的原因。 一共有 11個按鍵，包括功能鍵和設定鍵兩組。功能鍵是正轉鍵、復位鍵、反轉鍵和停止鍵，用于對變頻器發出運轉指令。設定鍵是模式鍵、編程鍵、增加鍵、減少鍵、左移鍵、右移鍵、回車鍵等。其中模式鍵用于改變監視模式；編程鍵用于改變功能模式進入或退出編程狀態；增加鍵和減少鍵改變設定值大小；左移鍵和右移鍵移動光標等；回車鍵用于進入光標指示項目的設定畫面，確定選擇等。鍵盤連接到PI0～PI10擴展信號線上，選通地址為OOOOH。所有的鍵盤信號線同時也連到一個GAL16V8上，GAL16V8上將所有的信號相與后，輸出到 INT3中斷管腳。這樣任一個按鍵按下時都產生INT3中斷。 3 仿真結果 本文對系統進行了模糊控制仿真，速度給定跳變響應曲線如圖4和圖5 所示。 4 結束語 由仿真結果可以看出，當給定速度跳變時，系統能夠快速響應。轉矩和電流波動較小，而且在轉速跳變的時候，能夠快速達到穩定；靜態誤差小，具有很好的靜態和動態性能。 參考文獻： [1] 王曉明，王玲.電動機的DSP控制——TI公司DSP應用[M].北京：北京航空航天大學出版社.2004 [2] 秦繼榮，沈安俊.現代直流伺服控制技術及其系統設計[M].北京：機械工業出版社.1999 [3] 劉和平，嚴利平，張學鋒等.TMS320LF240xDSP結構、原理及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社.2002 [4] 孫劍波，龔世纓，董亞暉.永磁無刷直流電機調速系統的仿真研究[J].微電機，2001.2，25-28 [5] 張深.直流無刷電動機原理及應用[M]. 北京:機械工業出版社，1996 [6] 張豫，陳靜薇，梁振鴻.基于DSP的永磁同步電機全數字化矢量控制[J].伺服技術，2001.3，48-50 作者簡介：俞斌（1979-），男，江蘇揚州人，講師，主要研究方向：信息處理和DSP。