以TMS320LF2407A DSP為核心，實現了異步電機的高性能、全數字化轉子磁場定向矢量控制，并就該系統的實現方法和設計中存在的主要難點進行了較為詳細的分析。 1 引言 轉子磁場定向矢量控制技術是一種比較實用的異步電機高性能控制技術，它具有轉矩與磁鏈控制完全解耦的優點，然而，要求坐標變換的難點使其在以前難以應用。隨著電力電子技術和計算機技術的發展，這一技術變得越來越容易實現，而且成為目前高性能異步電機傳動系統的首選。近幾年，隨著DSP芯片技術的飛速發展，DSP的速度越來越快，其外圍也更為豐富，使得較為復雜的異步電機控制系統逐漸采用DSP控制器作為系統的微處理器。本文以TI公司的TMS320LF2407A DSP為核心，實現了異步電機的高性能、全數字化轉子磁場定向矢量控制，并就該系統的實現方法和設計中存在的一些問題進行了分析。 2 TMS320LF2407A簡介 TI公司推出的TMS320LF2407A，是目前比較成熟、性價比相當高的一款電機控制專用DSP，其主要特點有： （1）高達40MIPS的指令執行速度，提高了它的實時控制能力； （2）片上32K字的Flash存儲器，544字的DARAM，2K字的SARAM，滿足一般應用要求，基本上無需外擴存儲器； （3）兩個事件管理器模塊EVA和EVB，具有4個定時器，16個PWM通道（其中12個可插入可編程死區），兩套獨立的正交脈沖輸入和6路捕獲輸出，該特點讓這個控制器可以實現多臺電機的同步控制； （4）存儲器可外部擴展，便于編制更為復雜的軟件或存儲大量的數據； （5）內置看門狗和鎖相環，無需高達40MHz的晶振； （6）10位16通道的高速（最小轉換時間為375ns）A/D轉換器； （7）自帶CAN控制器、SCI接口和SPI接口模塊； （8）41個可編程的復用I/O引腳，滿足電機控制的大量I/O要求。 從上述TMS320LF2407A的特點可以看出，采用該款DSP作為高性能異步電機矢量控制系統的CPU時，能大大簡化系統的硬件設計，同時保證了系統的高速實時性能和低成本。 3 轉子磁場定向矢量控制系統 轉子磁場定向矢量控制系統的基本結構如圖1所示，給定轉速nref與反饋轉速n比較后得轉速誤差en，經過PI調節器產生轉矩電流給定i＊sq，并與實際的轉矩電流isq比較經過PI調節器產生vsqref;另一方面，給定轉速nref通過特定的磁鏈曲線產生磁鏈給定，與電機實際磁鏈比較后經過PI調節器產生vsdref, 對vsqref與vsdref補償耦合項并經過PARK逆變換后得到SVPWM所需的vsαref和vsβref，SVPWM模塊產生死區可改變的6路PWM來驅動功率管。系統中為了實現電流內環控制，兩路電流ia、ib（對于三相籠型異步電機，可以只檢測2路電流）被檢測，經CLARKE和PARK變換后得到同步旋轉坐標系下實際的定子電流分量isd、isq，其中勵磁電流分量isd經過一個與電機參數有關的一階濾波器后得到轉子磁鏈。同時根據轉子磁鏈給定與定子電流轉矩分量給定獲得的轉差ωsl與反饋的轉速n相加獲得同步轉速ωe，對其積分后得轉子磁場定向角θ，用到坐標變換和電壓耦合補償項中。整個系統的工作原理相當清晰，結構也比較簡單，是其得到了廣泛應用的重要原因。 4 基于TMS320LF2407A DSP上的系統實現 圖1 轉子磁場定向矢量系統控制結構圖 盡管圖1所示的矢量控制系統結構比較簡單，但在沒有高性能MCU或DSP以前，要實現起來也極為不容易，主要原因還是在于坐標變換。隨著高性能DSP控制器的誕生，整個矢量控制系統的全數字化實現變得現實可行起來。下面根據TMS320L-F2407A的特點，對圖1所示的轉子磁場定向矢量控制系統的全數字化實現進行闡述。 在圖1所示的轉子磁場定向矢量控制系統結構圖中，除了以下3個部分需要其他電路輔助外，其他都可以通過對DSP進行軟件編程實現。 （1）6路PWM輸出到功率管時，需要添加外部驅動和光電隔離電路； （2）電流采樣需要電流傳感器和信號調理電路； （3）轉速反饋需要光電碼盤、噪聲濾波處理和光電隔離電路。 系統中，SVPWM通過TMS320LF2407A DSP的事件管理器中的SVPWM硬件模塊產生，簡化了軟件編程，PWM死區可用DSP中可編程的死區發生器產生；模擬電流、可用DSP自帶的A/D模塊進行模數轉換；磁鏈曲線可用多項式擬合的方法編程實現；PARK和反PARK變換可用查表的方法實現；其他各涉及到微分和積分的環節都可以經過某種離散化方法后通過軟件編程實現。系統的核心控制部分的軟件流程如圖2所示。 圖2 系統軟件控制流程 表1 系統數字化實現時主要變量數據格式 在系統數字化實現中存在幾點需特別強調一下： （1）是用標么值還是采用實際值的形式。由于TMS320LF2407A是運算精度為32位的定點DSP，故采用標么值格式更為合適，而且可針對不同的異步電機方便地修改參數； （2）數據格式選擇。針對不同類型的參數和變量，需要根據實際情況進行選擇，例如系統的電壓、電流變量均采用4.12格式，表示的范圍為-8.00000～+7.99976，與具體的電流值無關。系統中主要變量的數據格式如表1所示。 （3）用給定的轉子磁鏈和定子電流力矩分量計算轉差角速度，這種做法可以保證反饋電流噪聲較大時系統依然穩定，另外，由于采用標么值形式，因此n和ωsl可以直接相加。 5 實驗結果 圖3 nref=600r/min時的轉速和電流波形 （Kpn=2.0，Kin=0.25，Kpt=1.0，Kii=0.125） 圖4 nref=0.1r/min時的轉速和電流波形 （Kpn=5.0，Kin=1.5，Kpt=2.5，Kii=1.0） 基于TMS320LF2407A DSP的全數字化轉子磁場定向矢量控制系統的高性能在一個3KW籠型異步電機上的控制實驗得到了體現（電機參數見附錄）。在轉速給定分別為600r/min和0.1r/min時系統的轉速和電流波形如圖3和圖4所示，圖3的轉速和電流波形時間是一致的，轉速和電流調節器參數分別為；圖4的調節器參數為。圖3說明了系統具有很快的響應速度，在進入穩態之后，電流均基本為直流，但由于與同步轉速相關的電壓耦合項解耦不徹底，因此還存在少許波動。圖4說明了在轉速較低時，為了獲得較好的控制效果，調節器參數要相應地加大，另外，由于電流反饋噪聲、計算精度和積分項的影響，使得電流存在波動，此時因同步轉速很小，所以電流之間受電壓耦合項的影響很小，穩態時波動非常小。在2.3s左右受到一個反向力矩后轉速陡降2.0r/min，之后由于積分影響出現超調，最后穩定到0～0.2r/min之間，從中可以看出0.1r/min的低速給定時，系統性能良好。 6 總結 本文闡述了轉子磁場定向矢量控制系統基于TMS320LF2407A DSP的數字化實現方法，分析了系統數字化實現中值得注意的幾個問題，并給出具體一個異步電機控制實例的實驗結果，證明了基于TMS320LF2407A的全數字化轉子磁場定向矢量控制系統能夠獲得高性能的控制效果。 7 附錄——（實驗中所用異步電機參數） 額定功率：3KW 額定相電壓：220V 額定頻率：50Hz 額定轉速：1430r/min 額定電流：6.6A 極對數：2 定子電阻：1.798 轉子電阻：1.781 定子電感：0.212H 轉子電感：0.2175H 互感：0.2066H 轉動慣量：0.055kg/m2