摘 要：磁場定向、直接轉矩等高性能的交流電機控制方式若能成功應用到交流傳動電力機車上，將使機車的性能得到顯著提高。本文介紹了一種采用兩個高速數字信號處理器為主構成的雙DSP全數字化電機控制系統。對整個電機傳動系統做了介紹，對控制系統硬件設計做了詳細闡述。 關鍵詞：數字化控制; 電機控制 1 引言 　　控制系統是交流傳動系統的核心，決定了交流傳動系統的各項主要性能和指標。隨著各種微處理器的發展和成熟，如何將數字化的控制技術應用到交流傳動系統中去，是研究者非常感興趣的課題，特別是高速數字信號處理器（DSP）在交流傳動系統中的應用，將會大大改善交流傳動控制系統的性能，所以引起了人們的廣泛注視。 　　本文提出了一種應用于高性能交流傳動系統的雙DSP數字化控制電路系統方案，由具有可編程IO端口、脈寬調制（PWM）發生器、脈沖捕獲單元等片內集成外設的16位高速定點DSP芯片TMS320F243，以及通用的32位高速浮點DSP芯片TMS320C32為主組成。其中TMS320F243用于電壓電流信號采集和模數轉換、過流過壓保護和輸出PWM信號驅動交流傳動系統的功率逆變器。而TMS320C32負責速度信號采集計算和控制算法的計算。在適當的軟硬件協調下，DSP芯片通過雙端口RAM完成公用數據交換，并使雙DSP處于并行的工作狀態。 2 數字化控制的交流傳動系統總體構成 　　采用雙DSP控制的交流傳動系統由功率變換裝置、雙DSP控制系統、感應電機組成。其中DSP全數字控制電路由兩個DSP為核心構成雙DSP控制系統，用以完成數據采集（包括直流輸入電壓、交流輸出電壓電流、電機轉速等），數據處理（電機電流基波分析計算、電磁轉矩和磁通的估計等），系統保護（直流母線過壓過流保護、缺相保護、過熱保護等）控制功能。功率變換裝置由兩點式三相逆變器及IGBT驅動電路組成，根據控制系統送來的PWM信號產生正確的輸出電壓供給負載的三相感應電機。 3 雙DSP控制系統硬件結構 　　采用數字控制的傳動系統，一方面要對電機的電磁轉矩和磁通進行分析計算;另一方面，還需要有一個完整的控制功能和邏輯處理接口功能，以完成控制上的要求。整個雙DSP控制系統的結構示意圖如圖1。 [align=center] 圖1 雙DSP控制系統的結構示意圖[/align] 　　控制系統的雙DSP芯片分別采用浮點芯片TMS320C32和定點芯片TMS320F243。對TMS320C32來講，其運算能力很強，但片內資源和I/O端口較少，邏輯處理能力也較弱，主要用于浮點計算和數據處理（浮點運算可以大大提高精度和動態范圍）;而F243正好相反，其片內外設資源豐富，I/O端口使用方便，但其運算精度和速度有一定限制，所以用于數據采集和過程控制。兩個DSP芯片通過雙端口RAM完成數據交換。這兩個DSP芯片的互補可充分發揮各自的優點，使控制系統達到最佳組合。 　　3.1 TMS320F243子系統 　　TMS320F243子系統主要功能有：PWM控制信號輸出、電壓電流采集、中間變量的DA輸出、鍵盤顯示。 　　TMS320F243具有每秒2千萬條指令的處理運算速度，并具有豐富的I/O端口、片內集成外圍設備以及專用的PWM發生器。F243 控制器內部有三個全比較單元，專為橋式電路PWM設計，一對輸出引腳對應一組橋臂，當上橋臂開啟時下橋臂關閉，反之亦然。在全比較單元內嵌了非對稱/對稱波形發生器、死區產生電路、空間矢量狀態機等功能，與F243內部的16位定時器配合可以方便的實現各種PWM輸出功能。F243片內集成的同步串行接口SPI，結合MAXIM公司的專門用于SPI接口的LED數碼管驅動芯片MAX7219，只用三根信號線，即可構成一個簡單可靠的顯示電路。選擇MAX7219的BCD譯碼方式，CPU以字節為單位與MAX7219進行同步串行通信，使CPU的干預最小，減少CPU的占用率。系統選用異步并入/串出芯片CD4021擴展了八個功能鍵，與F243的接口也只用三根信號線。當有鍵按下時即向F243申請外部中斷，F243響應中斷，依次將各個鍵的狀態串行讀入，判斷鍵碼并轉相應的服務程序。 　　高性能的電機控制系統通過實時采集三相輸出電壓電流和電機轉速來計算出電機的磁通和電磁轉矩，為了提高控制精度，檢測的精度要求很高，而且最好是同步檢測各相電壓和電流。本系統選用了一片AD7864對兩相電壓電流同時采樣。AD7864是高速、低功耗、單電源、四路同步采樣、12位的模/數轉換芯片。具有一個1.65μs的逐次逼近式A/D轉換器，四路跟蹤/保持放大器，2.5V參考電平，片內時鐘，信號調整電路及一個高速的并行總線接口。AD7864可對四個通道的模擬輸入信號同步采樣，并將四個通道之間的相對相位和大小信息保存下來，這使得它特別適合于交流電機控制、三相電網電壓檢測等場合。 　　由于數字控制算法均由控制軟件完成，并且高性能的電機控制方案都有復雜的中間變量，它們無法用示波器直接觀測。為便于系統的調試、監控和驗證，選用DA芯片AD7836將中間變量轉換為模擬信號輸出。AD7836是ANALOG DEVICES公司生產的14位數據并行輸入，4路模擬輸出的D/A轉換器。其建立時間為16μs，采用雙電源±15V供電，參考電壓范圍為-5V～+5V，輸出電壓范圍-10V～+10V。 　　3.2 TMS320C32子系統 　　TMS320C32子系統主要功能有：電機速度的檢測、電機磁通和轉矩的狀態估計、逆變器輸出指令電壓的計算。 　　該子系統主要由DSP芯片TMS320C32、兩片16位FLASH 芯片AT49F1025、兩片16位高速SRAM芯片ISSI61C6416和電機轉速測量電路組成。 　　TMS320C32是高性能的32位浮點DSP，其單周期指令執行時間為50ns，一個32位浮點乘法50ns即可完成。浮點運算與定點運算比較起來，具有更高的精度，并且不用考慮運算的溢出問題，具有更好的運算性能。 　　FALSH用于存放程序和初始化的數據，SRAM用于存放實時運行的程序和數據。TMS320C32復位后，由內部固化的自引導（BOOT）程序將存于FLASH的程序和數據移至高速SRAM，然后在SRAM中運行。 　　傳動系統中的電機速度檢測精度對整個系統的控制精度非常關鍵，由于電力機車轉速范圍寬和光電編碼盤每轉孔數的不定，一般轉速測量軟硬件方案的選擇和實時切換的方案都不盡相同。在本系統中，利用TMS320C32外部中斷的邊沿觸發方式和內部32位定時器的優點，可以以單一的測周期方式在可能的電機運行范圍內高精度的測量轉速。 　　3.3 雙DSP數據交換子系統 　　雙DSP數據交換子系統由雙口RAM實現，選用IDT公司的8K×16位高速CMOS靜態雙口RAM——IDT7025。IDT7025除了通用雙口RAM的功能外，還內置了中斷邏輯，可以更高效的完成雙DSP通信功能。比如當F243向雙口RAM傳輸完采集到的數據后，接著向雙口RAM內的特定地址單元隨機寫數據，則IDT7025和C32連接的中斷輸出管腳產生跳變信號，引起C32中斷，C32在讀取數據后，可以通過讀雙口RAM的特定地址單元將該中斷信號復位。反之亦然。雙口RAM及其中斷功能使得雙DSP間迅速、方便的交換數據，增強了雙微機系統的并行處理能力。 4 結論 　　與其他電路結構相比，采用雙DSP數字化控制的傳動系統具有控制精度高、體積小、功能強、穩定性好等優點，并且調試方便，系統控制方案設置靈活，可以迅速修改控制方法和算法，大大減少了系統調試的工作量。。 參考文獻 　　[1] 卓放，王躍，何益宏，李紅雨，王兆安. 采用雙DSP控制技術實現的三相四線制有源電力濾波器. 第七界中國電力電子與傳動控制學術會議CPED’2001文集. 　　[2] 李威. 感應電機矢量控制系統研究. 北方交通大學博士學位論文. 2000