【正文】 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)選用TMS320LF2407A DSP芯片作為控制核心，由整流器、逆變器構(gòu)成的主回路和控制回路組成。： 系統(tǒng)硬件框圖 控制用芯片TMS320LF2407A簡(jiǎn)介T(mén)MS320系列DSP是美國(guó)TI公司的產(chǎn)品。該系列DSP的體系結(jié)構(gòu)專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)。目前TI公司主推的DSP有：定點(diǎn)系列TMS320C2000，TMS320C5000；浮點(diǎn)系列TMS320C6000，其中TMS320C6000系列中也有部分定點(diǎn)DSP。TMS320LF2407A屬于TMS320C2000系列的產(chǎn)品。事實(shí)上，TMS320C2000系列產(chǎn)品均是針對(duì)電動(dòng)機(jī)控制專門(mén)用設(shè)計(jì)的。在TMS320LF2407A之前，TMS320F240一直占據(jù)著C2000系列的主導(dǎo)地位，它們的內(nèi)核是相同的，只是TMS320LF2407A在處理速度、片內(nèi)外設(shè)等方面有著自己的優(yōu)勢(shì)，更勝于TMS320F240芯片。TMS320LF2407A芯片是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。通過(guò)把一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設(shè)集成為一個(gè)芯片的方案，LF2407A成為傳統(tǒng)的微處理器和昂貴的多片設(shè)計(jì)的一種替代產(chǎn)品。每秒4000萬(wàn)條指令(40MIPS )的處理速度，使LF2407A可以提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的16位微處理器和控制器的性能。LF2407A的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核為模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)不犧牲系統(tǒng)精度和性能的數(shù)字控制系統(tǒng)。實(shí)際上，對(duì)于諸如自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波和狀態(tài)控制等技術(shù)，通過(guò)使用先進(jìn)的控制算法，系統(tǒng)的性能會(huì)得到提高。L2407A提供了高可靠性和可編程性，可以滿足這些復(fù)雜控制算法的要求。概括起來(lái)，LF2407A具有以下一些特點(diǎn)和資源[27][28]：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，減小了處理器的功耗，40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns，從而提高了處理器的實(shí)時(shí)控制能力；基于TMS320C2XXDSP的內(nèi)核，保證了TMS320LF2407A芯片的代碼與TMS320系列DSP代碼兼容；片內(nèi)高達(dá)32K字的Flash程序存儲(chǔ)器，544字雙端口DARAM，2K字的SARAM；SCI/SPI引導(dǎo)ROM；兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)管理器模塊包括:兩個(gè)16位通用定時(shí)器，8個(gè)16位的脈寬調(diào)制PWM通道，可以實(shí)現(xiàn)三相反相控制、PWM的中心或邊緣校正，當(dāng)功率保護(hù)引腳出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉PWM通道，防止擊穿故障的可編程的PWM死區(qū)控制，對(duì)外部時(shí)間進(jìn)行定時(shí)捕獲的三個(gè)捕獲單元，片內(nèi)光電編碼器電路，16通道的同步A/D轉(zhuǎn)換器。時(shí)間管理器模塊適用于控制交流異步電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等；可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共192K字的空間，分別為64K字程序存儲(chǔ)空間、64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、64K字的IO空間；看門(mén)狗定時(shí)器模塊；10位AD轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns, 8個(gè)或16個(gè)多路復(fù)用的通道，可選擇由兩個(gè)事件管理器或軟件觸發(fā)；，即控制器局域網(wǎng)模塊；串行接口SPI和SCI模塊；基于鎖相環(huán)PLL的時(shí)鐘發(fā)生器；高達(dá)41個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入輸出引腳；5個(gè)外部中斷，其中2個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)，1個(gè)復(fù)位中斷和兩個(gè)可屏蔽中斷；電源管理，具有3種低功耗模式，能獨(dú)立地將外圍器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。 硬件整體設(shè)計(jì)概述，整個(gè)系統(tǒng)按照功率電路和控制電路進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)[29]。圖中智能IPM模塊采用PM15RHB120，整流器采用6RI30E120，電流檢測(cè)電路由接在逆變橋輸出端的電流霍爾傳感器電路組成，由傳感器輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，再送到DSP的ADC端；直流母線電壓采用LEM電壓傳感器檢測(cè)，電動(dòng)機(jī)的相電壓值則根據(jù)當(dāng)前直流母線電壓及逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)計(jì)算得到。接口電路主要包括顯示電路，保護(hù)電路主要包括過(guò)(欠)壓、過(guò)流、短路、溫度等保護(hù)電路。整個(gè)數(shù)字控制系統(tǒng)在硬、軟件的協(xié)同配合下實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制，下面重點(diǎn)論述其中的幾個(gè)主要電路設(shè)計(jì)。 功率電路設(shè)計(jì)功率電路由不可控整流模塊、濾波電路和逆變模塊組成，濾波電路消除來(lái)自電網(wǎng)的諧波干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。逆變模塊選用智能模塊IPM(intelligent power module)。IPM不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有故障監(jiān)測(cè)電路，并可將監(jiān)測(cè)信號(hào)送給CPU。系統(tǒng)選用基于IGBT的富士公司生產(chǎn)的智能IPM模塊6MBP50RA120。 6MBP50RA120的內(nèi)部集成了功率芯片IGBT、檢測(cè)電路及驅(qū)動(dòng)回路，不僅把功率開(kāi)關(guān)器件(IGBT)和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還具有過(guò)流(OC)、短路(SC)、欠壓(UV)、過(guò)熱(TH)等保護(hù)功能和外部輸出的報(bào)警信號(hào)(ALM)，因而簡(jiǎn)化了片外的驅(qū)動(dòng)電路，減少了系統(tǒng)的故障率。IPM的故障輸出信號(hào)通過(guò)光電耦合器接到DSP的端口，在IPM發(fā)生故障時(shí)，DSP能把所有事件管理器輸出引腳都置成高阻狀態(tài)，禁止PWM信號(hào)輸出，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。利用TMS320LF2407A提供的外部中斷可以方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的這種保護(hù)功能。 IPM故障信號(hào)隔離電路當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，IPM的引腳ALM輸出低電平，該信號(hào)通過(guò)光電隔離元件，將引腳也拉為低電平，此時(shí)DSP內(nèi)定時(shí)器立即停止計(jì)數(shù)，DSP內(nèi)部的中斷處理程序?qū)⑺鶎?duì)應(yīng)的PWM1~PWM6置為高阻態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知CPU有異常情況發(fā)生，整個(gè)過(guò)程不需要程序的干預(yù)。逆變器要求同一橋臂上下開(kāi)關(guān)管始終有一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)截止，而且必須互鎖。因此PWM信號(hào)必須有足夠的死區(qū)時(shí)間，否則將會(huì)造成同一橋臂上下開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致IGBT模塊燒壞。TMS320LF2407A內(nèi)集成了死區(qū)調(diào)節(jié)電路，死區(qū)時(shí)間可在0~120 μs內(nèi)變化。具體死區(qū)時(shí)間由軟件來(lái)設(shè)定，本系統(tǒng)取死區(qū)時(shí)間為4 μs。整流模塊采用富士全橋整流模塊6RI30E120，它是由六個(gè)大功率整流二極管構(gòu)成，其最大工作電流為30A，承受的反向電壓為1200V，使用該模塊能降低設(shè)計(jì)及調(diào)試電路的復(fù)雜程度，同時(shí)能提高可靠性。濾波電路由兩個(gè)電容器(2000μF，450V)串聯(lián)而成，因?yàn)殡娊怆娙菥哂休^大的離散性，故兩串聯(lián)電容量常不能完全相等，這使它們承受的電壓可能不相等。為了使兩電容電壓相等，在兩電容旁各并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻R1和R2 (300K)。 控制電路設(shè)計(jì)控制電路以TMS320LF2407A DSP芯片作為核心，主要完成電壓及電流的采樣、轉(zhuǎn)速的測(cè)定、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、模糊控制算法處理、PWM輸出以及接口電路等任務(wù)。 電流檢測(cè)電路及AD輸入電平匹配電路直接轉(zhuǎn)矩控制要求利用電動(dòng)機(jī)的相電流來(lái)進(jìn)行磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，因此對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集就顯得非常重要。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是三相平衡系統(tǒng)，因此只需檢測(cè)其中兩路電流，就可以得到三相電流。設(shè)計(jì)選用了西安天力傳感技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的GHAC053磁平衡式電流傳感變送器。傳感器輸入為20A~+20A的電動(dòng)機(jī)相電流信號(hào)，輸出為5~+5V的電壓信號(hào)。TMS320LF2407A芯片內(nèi)含10位單極性AD轉(zhuǎn)換模塊，AD采樣總共有16個(gè)通道，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的三相電流采樣而無(wú)需進(jìn)行相位補(bǔ)償。但由于AD模塊的輸入電壓范圍是0~，為保證檢測(cè)精度，~。因此必須設(shè)計(jì)電平匹配電路將傳感器輸出的5~+~。為防止電壓過(guò)高或過(guò)低，設(shè)計(jì)了由二極管組成的限幅電路。(以一路為例)。 AD輸入電平匹配電路圖中AD1為傳感器輸出，即5~+5V電壓范圍。可以看到，該電平匹配電路是由電壓跟隨、反相加法電路和反相電路三部分組成。(1)電壓跟隨電路電壓跟隨電路的設(shè)計(jì)目的，是使電平匹配電路與傳感器內(nèi)部電路各自獨(dú)立作用，使電平匹配電路不影響傳感器的內(nèi)阻，保證傳感器有足夠精度的輸出。電壓跟隨電路部分的輸出A點(diǎn)電壓范圍仍為5V~+5V。(2)反相加法電路反相加法電路是整個(gè)電平匹配電路的核心部分。對(duì)該部分的分析如下：式中VA、VB分別為圖中A、B兩點(diǎn)的電壓，, R31為可調(diào)電阻上半部分的阻值。設(shè)計(jì)中選取R31為最大阻值3K的精密可調(diào)電阻，R32,R33分別為10K，3K的精密電阻。借助于萬(wàn)用表，調(diào)整R31，使得圖312中D點(diǎn)的電壓被精確調(diào)整到+，將這些值代入上式：上式為一線性關(guān)系，通過(guò)該式，可將VA的5~+~。(3)反相電路反相電路將反相加法電路的結(jié)果VB利用比例系數(shù)為1的反相比例放大電路進(jìn)行反相，~，可將其輸入TMS320LF2407A的AD輸入引腳。 母線電壓檢測(cè)系統(tǒng)中直流母線電壓的檢測(cè)方法采用LEM電壓傳感器檢測(cè)法。該方法由霍爾元件串一電阻再并接到直流電壓上，通過(guò)檢測(cè)霍爾元件感應(yīng)的電流大小，來(lái)間接反映直流側(cè)電壓。其最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，線性度好，可以做到無(wú)接觸檢測(cè)等。對(duì)應(yīng)的電壓檢測(cè)電路如圖： 母線電壓檢測(cè)電路 速度檢測(cè)系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量是采用光電編碼器，在交流電機(jī)軸上聯(lián)接上光電編碼器，通過(guò)測(cè)量光電編碼盤(pán)輸出脈沖頻率獲得轉(zhuǎn)速。所謂正交編碼脈沖是指具有90176。固定相移和頻率變化的兩個(gè)脈沖，當(dāng)它由電機(jī)軸上的光電編碼器產(chǎn)生時(shí)，通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)序列脈沖中哪個(gè)先到達(dá)即可確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，而轉(zhuǎn)速可由脈沖數(shù)和脈沖頻率來(lái)決定。其測(cè)量原理如下：DSP的事件管理器(EV)模塊含有一個(gè)正交編碼脈沖電路(QEP電路)，通過(guò)設(shè)置控制寄存器中該電路的使能位后，就可將光電碼盤(pán)輸出的兩路脈沖信號(hào)經(jīng)光電隔離處理整形后直接送入QEP單元的QEPQEP2引腳，經(jīng)內(nèi)部譯碼邏輯單元產(chǎn)生內(nèi)部四倍頻后的脈沖信號(hào)CLK和轉(zhuǎn)向信號(hào)DIR。對(duì)脈沖信號(hào)CLK的計(jì)數(shù)可由T2(EVA)或T4(EVB)計(jì)數(shù)器完成，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向由DIR信號(hào)決定，當(dāng)QEP1輸入超前時(shí)，所選計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)；當(dāng)QEP2輸入超前時(shí)，計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)。本文選用的是歐姆龍公司的光電脈沖編碼器，其型號(hào)為E6B2CWZ6C，它由5~24V電壓供電，有A、B、Z三輸出，其中A、B用于測(cè)速，他們的相位相差90176。，每轉(zhuǎn)1圈輸出1500個(gè)脈沖；而Z脈沖為每轉(zhuǎn)1圈輸出1個(gè)脈沖，用于測(cè)量轉(zhuǎn)角。使用時(shí)將光電脈沖編碼器的A、B相通過(guò)高速光隔6N136與LF2407A的QEP1和QEP2相接。 PWM輸出設(shè)計(jì)中的PWM輸出采用TMS320LF2407A芯片EVA模塊的PWM1~PWM6引腳，該P(yáng)WM信號(hào)被傳送至功率驅(qū)動(dòng)板的功率模塊IPM，為避免各開(kāi)關(guān)信號(hào)受到干擾，保證系統(tǒng)的可靠性，電路中采用了光電耦合器對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行隔離，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖所示：圖中快速光耦驅(qū)動(dòng)芯片TLP559引腳“PWM1”和“GND”接DSP輸出的某一路PWM觸發(fā)控制信號(hào)，引腳“Vo”接至IGBT功率管的柵極以控制其通斷。 PWM輸出電路 串行通訊接口(SCI)TMS320LF2407A的SCI可以通過(guò)RS232或RS485轉(zhuǎn)換芯片與PC機(jī)進(jìn)行異步通訊，控制系統(tǒng)中擴(kuò)展為RS232通訊，可以直接與PC機(jī)的串行通訊口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，方便進(jìn)行控制命令發(fā)送和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。，該電路采用了符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片MAX232，進(jìn)行串行通信。MAX232芯片功耗低、集成度高，+5 V供電，具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道。由于TMS320LF2407A采用+，所以在MAX232與TMS320LF2407A之間加了TI公司提供的典型電平匹配電路。整個(gè)接口電路簡(jiǎn)單、可靠性高。 顯示電路目前控制系統(tǒng)微型化的要求越來(lái)越高，為了使數(shù)字處理系統(tǒng)微型化，必須舍棄常用的并行總線接口方案，采用只需少量引腳線的串行總線接口方案，SPI就是這樣一種串行總線的外設(shè)接口。 TMS320LF2407A器件包括帶有4個(gè)引腳的串行外設(shè)接口(SPI)模塊。SPI是一個(gè)高速、同步串行I/O口，它允許長(zhǎng)度可編程的串行位流(1~16)以可編程的位傳輸速度移入或移出器件。通常該模塊用于和外部設(shè)備以及其它處理器之間的通訊。本文設(shè)計(jì)了利用SPI外接MAX7221構(gòu)成的速度顯示模塊。設(shè)計(jì)時(shí)充分利用SPI的串行移位通信的能力，將SPI接口用作顯示接口，同時(shí)為了使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，選用了SPI接口的LED驅(qū)動(dòng)器MAX7221。MAX7221具有SPI接口，它將SPI接口和7段共陰極LED驅(qū)動(dòng)作在了一起。設(shè)計(jì)時(shí)將LF2407A作為SPI主模式，MAX7221作為從模式，串口傳輸速率為100Kbps，SPISIMO作為串行輸入，時(shí)鐘極性為0，時(shí)鐘相位也為0，出口選擇4片共陰極的LED，： 顯示接口電路6 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) DSP軟件設(shè)計(jì)介紹本系統(tǒng)是以高速的DSP芯片TMS320LF2407A為主體構(gòu)成的。TMS320系列的哈佛結(jié)構(gòu)(分離的程序和數(shù)據(jù)總線) [35]與它的專用數(shù)字信號(hào)處理指令相結(jié)合，提高了運(yùn)算速度和靈活性。TMS320LF2407A可以每秒執(zhí)行40兆條指令（40MIPS），它的幾乎所有的指令都可以在一個(gè)25ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。其程序運(yùn)行速度是通常工業(yè)控制中使用的51系列和96系列單片機(jī)所無(wú)法比擬的。一般來(lái)說(shuō)，DSP的軟件開(kāi)發(fā)大體有三種形式：一種是直接編寫(xiě)匯編語(yǔ)言進(jìn)行編譯連接；另一種是編寫(xiě)C語(yǔ)言程序，用C語(yǔ)言優(yōu)化軟件進(jìn)行編譯連接，最后一種是C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。本課題的軟件設(shè)計(jì)采用最后一種方法。 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的實(shí)現(xiàn)方法1. 使用獨(dú)立的匯編代碼模塊這是一種最通用的方法。如果遵循函數(shù)調(diào)用規(guī)范和寄存器規(guī)范，C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言函數(shù)的接口是很簡(jiǎn)單的。C代碼可以訪問(wèn)匯編語(yǔ)言定義的變量和調(diào)用匯編語(yǔ)言定義的函數(shù)，同樣，匯編代碼也可以訪問(wèn)C語(yǔ)言定義的變量和調(diào)用C語(yǔ)言定義的函數(shù)。獨(dú)立的匯編代碼模塊主要用于實(shí)現(xiàn)TMS320F240X外設(shè)的初始化，C代碼模塊主要完成各變量的初始化，主程序的編寫(xiě)，以及相關(guān)的中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)[30]。在將匯編代碼模塊和C代碼模塊分別編譯生成目標(biāo)文件之后，再將它們連接生成可執(zhí)行文件，連接程序同時(shí)將可執(zhí)行的輸出模塊的入口設(shè)置在_c_int0。_c_int0函數(shù)在運(yùn)行支持庫(kù)函數(shù)中，它通過(guò)調(diào)用main函數(shù)開(kāi)始C程序。2. 使用asm語(yǔ)句在C代碼中直接嵌入?yún)R編語(yǔ)句，例如asm(assembly language)。TMS320F240X的C編譯器允許在編譯輸出的匯編語(yǔ)言中嵌入TMS320F240X的匯編指令。這一功能是通過(guò)asm語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它是對(duì)C語(yǔ)言的擴(kuò)展[3