基于双DSP的异步电机控制系统设计

曹海红

摘 要：在电力电子技术不断发展的过程中，电机控制也逐渐朝着更优化、高效的方向发展。为了解决传统变频器中利用二极管不控整流中具有较大的网侧电流谐波含量的问题，设计基于双DSP的嵌入式异步电机控制系统。通过双DSP控制系统辨识电机参数，实现电机矢量控制，对比单DSP控制系统，能够提高计算速度与采样精度，并且提高系统外部拓展的性能。通过试验表示，在闭环调速过程中的效果良好。双DSP系统在电机无速度传感器矢量控制过程中，能够提高速度估算的效率与精准性，对于电机控制较为精准。

关键词：DSP技术;嵌入式;异步电机控制

中图分类号：TM359.9 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0143-04

Design of Asynchronous Motor Control System

Based on Dual DSP

Cao Haihong

（School of Automation Engineering， Xi an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi an 710089， China）

Abstract：In the process of continuous development of power electronics technology， motor control is also gradually developing towards a more optimized and efficient direction. An embedded asynchronous motor control system based on double DSP is designed to solve the problem of large grid-side current harmonic content in the uncontrolled rectification using diodes in traditional frequency converters. The motor parameters are identified by the dual DSP control system， and the vector control is realized. By comparing the single DSP control system， the calculation speed and sampling accuracy can be improved， and the performance of the external expansion of the system can be improved. It is shown by the test that the effect is good in the closed loop speed regulation process. Double DSP system can improve the efficiency and accuracy of speed estimation during the motor speed sensorless vector control process， and is more accurate for motor control.

Key words：DSP technology; embedded; asynchronous motor control

异步电机为强耦合、多变量、非线性的系统，其控制策略发展包括开环控制、矢量控制、转速闭环滑差频率控制等。文章提出基于双DSP的嵌入式异步电机控制系统，通过TI公司TMS320VC33、TMS320LF2407构成。TMS320LF240x系列电机控制专用DSP集成丰富电机控制专用的外设与通讯功能，但是16位定点处理器核心速度在开发高性能电机控制过程中存在不足，定点CPU结构限制了C语言、浮点算法的使用，导致大量计算编程比较困难。但是TMS320C3x系列DSP为高速32位浮点DSP，集成外围硬件比较少，其运算速度与精度超过16位定点处理器，并且支持C语言编程。文章所提出雙DSP嵌入式异步电机控制平台，使电机控制结合专用DSP与浮点DSP，将其优势充分展现出来，实现复杂系统高性能控制算法，简化电力电子系统研发。

1 系统的构成

使用双微处理器控制板构成系统电路，图1为系统的结构。此交流异步电机控制系统控制电路为TMS320VC33、TMS320LF2407与少量外围电路构成，将DSP作为主控芯片，浮点运算功能强大的TMS320VC33计算变换器控制算法，尤其是浮点运算;TMS320LF2407不仅要计算部分定点算法，还要通过丰富的外部设备实现脉宽调制（PWM）信号产生、键盘、外围逻辑、通信、显示等功能。可编程控制器使用MAX7000S，实现端口译码、系统保护与脉冲输出。程序对中间结果进行计算，利用D/A转换实现观测输出。为了方便程序的调试，TMS320LF2407扩展RAM，实现TMS320LF2407程序的存储，调试之后的最终程序烧写到内部FLASM中。在TMS320VC33侧调试过程中，程序在内部RAM中直接装载，并且为TMS320VC33扩展Flash，在最终TMS320VC33程序中存储[1]。如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 系统主电路

异步电机直接转矩系统主电路为电动机工作驱动电路，通过滤波电路、整流模块、异步电动机、逆变器等构成，整流电路通过6个二极管创建三相不可控整流电路，通过大电容构成滤波模块，通过6个续流二极管与全控型IGBT构成，为智能功率模块IPM。

三相交流电通过不可控整流电路模块使交流电转变成为直流电，通过滤波大电容将杂质波去除，从而得出优质直流电，在电动机起动的时候，开关QK打开，使电阻接入到电路中，使上电冲击电流得到降低，避免起动的时候导致过流损坏。在电机平稳运行过程中，开关闭合，电阻短接，使电路功率消耗得到降低，利用电阻R1与R2电压的检测对整流电压测试，将其作为检测端子引出。逆变器部分通过六个功率开关管构成三相桥式逆变电路，此部分使用智能功率IPM，其使功率开关器件IGBT、电流传感器、驱动电路、保护电路与故障检测相互统一，在存在故障的时候，内部检测电路迅速反应，在处理器发送检测故障信号，使保护电路驱动，避免集成模块出现损坏，提高IPM效率与可靠性。在电机制动的时候，利用POM内部制动电路和电阻实现能耗制动[2]。

2.2 双口RAM设计

双口RAM指的是多端口共享式的存储器，能够共享存储数据。其中具有两组独立控制线、地址线、数据线，使两个独立控制器、CPU对存储单元进行访问。内部的仲裁逻辑控制的主要功能为信令交换逻辑、Busy逻辑控制等。

Busy控制逻辑为解决同个存储单位访问冲突问题所设计，双口RAM中已经具备相应逻辑电路使此问题得到解决。先行稳定地址端口利用仲裁电路优先的读写，并且内部电路能够使另外端口信号有效，禁止内部对方访问，直到结束此端口操作。Busy信号为CPU RDY信号来源，使CPU处于等待的状态。

控制访问权能够使双口RAM指定存储区，只使一端CPU使用，将其作为独占模式。IDT70V24设置独立RAM阵列的SEM单元，应用到标志双口RAM是否在独占模式中，独占模式能够避免地址仲裁的问题[3]。

2.3 电流检查电路的设计

三相异步电动机定子电流监测指的是使三相定子电流转变成为二进制代码，使程序矗立于计算更加的方便。使用三相平衡负载设计异步电动机，只要全面的监测两路电流，能够得到有效三相电流。

如图2所示，霍尔电流传感器一路输出信号能够利用R26电阻转变，使其成为双极性电压信号;此信号利用电平偏移实现电路的放大，到DSP中传输，利用第0通道对电流进行采样。文章实现电平偏移放大电路的设计过程中，主要包括电阻、双运算放大器。LM366具备2.5V基准电压基准芯片[4]，电平朝着电流转变的计算公式为：

限幅电路通过二极管D6与D7创建，DSP输出设置为0～3.3V之间。在设计嵌入式异步电机控制系统中，设置A/D转换基准电压为3.3V。

2.4 电机转速检测模块

在异步电机直接转矩控制系统中，转速为必须测试的参数，一般使用增量式光电编码器测量电机转子转速。在电机旋转过程中，带动编码器内部圆形光栅盘实现同轴遮挡，因为光栅盘中具备均匀长方形孔，所以在转动过程中LED光有时被遮挡，有时候被透过，所以输出脉冲波。图3为光电编码器三路输出，包括三相A、B、Z信号输出，利用A与B任意一项频率对电机转速计算，A与B两相相位相差90°，相互结合的两相信息对电极正反转进行确定，Z相对电机转子位置信号进行确定，一般电机转子旋转一周Z相才能够输出脉冲。

在系统设计过程中，硬件平台利用嘉德光电生产ESP3806光电编码器，电机转子每旋转一圈，A和B两相各输出2048个脉冲，光电编码器输出信号无法直接连接DSP的QEP引脚，利用光耦隔离之后进入到DSP中实现处理，硬件平台使用高速6N137光耦。在DSP中输出的信号通过处理计算，能够得到异步电机实时转速[5]。

3 系统的软件设计

通过系统将所有功能进行实现，划分系统成为再生制动、信号收集、电动运行与动态显示等并行任务。其次，实现中断子程序的设计，使智能控制功率和保护欠流、短路、过压、过流等功能得到实现。全部任务都能够实现内存空间与优先级的分配，使优先级得到提高。使数值缩小，表示优先级高。实现再生制动任务高优先级的设置，所以具有较高的任务实时性。假如启动不及时，或者结束过早，就会对系统造成损害;在运行的过程中，信号收集的过程比较频繁，为其他系统提供必须、可靠的参数，所以优先级高。显示任务能够显示控制参数和菜单，人机交互无法影响控制器性能，设计低优先级;实现常规电动运动任务状态的设置，设置优先级为次级。将静态优先级设置到系统中，不改变运行过程中的优先级。通过信号量实现各任务的开展，嵌入式操作系统中对DSP软件流程的编写比较简单，如图4所示。

在系统运行的过程中，电动运行的任务较为重要，实时传递消息队列、邮箱队列等，在线调节控制算法，对电机加减速和允许运行进行控制，如图5所示。

4 仿真和实验结果

使用Matlab仿真软件，仿真参数设置为：中间整流电压牵引时设置为2600V，直流侧电容设置为16uF;变压器二次侧电压设置为1500V，三角载波频率设置为1250Hz，网侧漏电阻设置为0.2Ω，牵引变压器二次侧漏感设置为2mH;额定功率设置为300kW，额定频率设置为140Hz，额定线电压设置为2000V。

通过测试结果表示，调速范围在负载或者空载时，能够降低静差率，对一般直流调速系统进行对比，具备优良性能。相电流接近于正弦波，对恒转矩进行控制。在电动机负载转矩增加的过程中，電动机转速响应块，稳态误差控制为4%，说明系统的性能良好。此系统给出嵌入式异步电机控制基于双DSP的嵌入式实时解决方案，通过实验结果可以看出来，将矢量控制技术应用到交流调速系统中，能够对静态性能进行优化，完善保护功能。另外，将嵌入式实时操作系统中使用控制器，从而增强系统的实时性与可靠性[6]。

5 结语

文章介绍了基于双DSP的嵌入式异步电机控制系统，充分结合TMS320VC33、TMS320LF2407芯片的优点。利用VC33实现大量复杂实时数学逻辑运算，通过双口RAM实现信息与数据的交流，并且实现两者相互协调，使控制周期得到缩短，使控制平台性能得到提高。利用试验表示，电机矢量控制效果良好，基于双DSP的控制平台满足异步电机矢量控制器设计的需求。

参考文献

[1]赵伟，刘毅力，丁换换，等.基于DSP异步电动机保护装置的设计[J].计算机与数字工程，2017，45（1）：181-185.

[2]宋连庆，袁世博，韩兴会.基于DSP无刷直流电动机控制系统设计[J].计算机与数字工程，2018，46（3）：78-78.

[3]沈晔超，杨浩，余丙荣，等.基于DSP的直流电机控制系统设计[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2019，12（3）：15-15.

[4]胡宇，张兴华.基于DSP的永磁同步电机控制系统硬件设计[J].电机与控制应用，2017，21（12）：19-24.

[5]宋跃，张常江，强盛，等.光刻机工件台自转电机控制系统设计[J].自动化技术与应用，2016，35（9）：20-23.

[6]张夏宇，李晋川，邹远文，等.基于DSP的伺服控制系统设计及在疲劳测试中的应用[J].自动化技术与应用，2016，35（7）：14-18.