基于TMS320F2812矢量变频调速异步电机控制系统设计

徐金阳

摘要：DSP的应用是继单片机之后，当今嵌入式系统开发中最为热门的关键技术之一，已成为数字化信息时代的核心引擎，广泛应用于家电、通信、航空航天、工业测量、控制及军事等许许多多需要实时实现的领域。该文是以TMS320F2812为核心器件，建立矢量控制系统的模型，提供了一种异步电机控制系统的设计方案。

关键词：单片机；TMS320F2812；DSP应用

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)02-0471-02

该文所选用的TMS320F2812是32位的定点数字信号处理器，是目前国际市场上应用广泛，功能强大的定点DSP芯片。它继承了数字信号处理的诸多优点，例如可调整的哈佛总线结构和循环寻址方式。同时TMS320F2812使用精简指令集，从而使CPU能够周期地执行寄存器到寄存器的操作。它既具有强大的事件管理能力，又具有强大的事件处理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合。

1矢量控制基本原理及控制实现方法

由于交流异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量复杂系

统，对异步电机直接实现控制很难达到直流电机的控制效果。矢量控制是基于电机动态数学模型的高性能控制系统，它根据坐标变换理论，采用按转子磁场定向，把定子电流矢量分解为在同步旋转坐标系中的两个互相垂直的励磁电流分量与转矩电流分量，实现定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，通过控制转子磁链和电磁转矩，得到了与他励直流电动机一样的线性机械特性，采用矢量控制技术的交流调速系统的动、静态性能基本达到了直流双闭环调速系统的水平。

在坐标变换中，选择d轴沿着转子总磁链矢量的方向，则ψrd=ψr，ψrq=0。

当考虑到笼型转子内部是短路的，则：urd=urd=0。

由此可得到异步电动机的磁链方程和电压方程如下：

ψsd=Lsisd+Lmirdusd=Rsisd+pψsd-ωlψsq

ψsq=Lsisq+Lmirqusq=Rsisq+p +ωlψsq

ψrd=Lmisd+Lrirdurd=Rrird+pψrd=0

ψrq=Lmisq+Lrird=0 urq=Rrirq+ωsψrd=0

isq=Trω1ψrd/Lmψrd= Lmisd/(1+Trp)

ω1=ωs+ω=Lmisq/Trψrd+ω

Te=npLmψrdisq/Lr=npψ2rdωs/Rr

usd=Rsisd+σLspisd+ Lmpψrd/Lr-ω1σLsisq

usq=Rsisq+σLspisq+ Lmωsψrd/Lr-ω1σLsisd

式中参数定义：

usd，usq，isd，isq，ψsd，ψsq——dq坐标系中定子电压、电流和磁链

urd，urq，isd，irq，ψrd，ψrq——dq坐标系中定子电压、电流和磁链Ls，Lr，Lm，Rs，Rr——dq坐标系中定子自感、转子自感和它们的互感以及定子电阻和转子（折算后）的电阻。

2系统硬件设计

系统硬件由如下构成:

①PC机和RS 232串行连接线。

②TMS320C2xx JTAG标准仿真器。

③主电路:包括1个三相全桥整流器和1个智能功率模块IPM。

④TMS320F2812控制板:这是整个控制系统的核心,板上预留端口资源丰富,使用非常方便灵活。⑤键盘及数码管电路:用于与控制板的交换和状态监视。

⑥霍尔传感器:用于采样两相定子电流和直流母线电压。

⑦光电编码器和电动机。

主电路是一个典型的三相交-直-交电压源型逆变电路。采用IPM (智能功率模块)作为逆变器的主开关器件,结构简单、外围元件少、可靠性高。通过三相不控整流后向逆变器和开关电源供电。

开关电源输出隔离的电源分别给IPM的驱动电路、DSP控制板以及冷却风扇供电。同时,主电路配备了全面的保护措施,即使在控制器工作不正常的情况下,主电路也不易损坏,从而更有效地保证了实验人员的人身安全和设备的安全。逆变电路的直流侧和输出的交流侧设置了电压、电流检测电路。

主电路配置：如图2所示。图中，虚线框表示智能功率模块，R4为制动电阻。启动整流模块通过充电电阻R1向电容C1和C2充电，以防止充电电流过大。当C1和C2上的电压达到额定值时，继电器J1吸合，将R1短路掉，防止R1消耗能量。电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别用来检测直流母线电压以及A相和B相电流。功率开关Sbrake用于电机制动时泄放能量，当电机制动时，机械能转换电能向直流母线回馈，使得直流母线上的电容电压抬升。为了防止直流母线电压过高，导致器件故障，需要控制Sbrake导通，将部分能量通过R4制动电阻泄放。

3系统软件设计

异步电机矢量控制系统的流程包括主程序和中断服务程序两大部分，如图所示。复位后，主程序开始对驱动参数、应用参数和DSP内部参数进行初始化;然后进入后台等待循环。后台循环包含故障检测、启动/停车控制、速度给定检测、制动控制和状态机控制。

图3所示为异步电机矢量控制的基本软件结构。其中中断服务程序包含以下3个程序：

1）ADC扫描结束中断服务程序：用来控制ADC扫描和PWM控制。ADC与PWM脉冲信号同步。PWM值寄存器在该中断服务程序中被刷新。其中断周期为125μs，即PWM频率为8kHz。

2）定时器C的通道0比较匹配中断服务程序：用来执行一些定期需要处理的控制，如检测开关状态等。其中断周期为1000μs。

3）PWMA故障中断服务程序：用来处理外部的硬件故障。

4结论

采用高性能的DSP芯片TMS320F2812是目前对电机进行数字化控制的一个必然趋势。利用本系统可以方便地实现对异步电机控制系统的数字化控制，能使用户能在最短的时间内完成不同控制策略和不同控制对象的实验过程。

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