基于TMS320LF2407A的直流調速系統研究

胡學芝，南光群

（湖北理工學院，湖北 黃石 435003）

1 引言

直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、高層電梯等需要高性能控制過程中得到了廣泛的應用。大功率直流調速系統通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉速。傳統的控制系統采用模擬元件，雖在一定程度上滿足生產要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統的運行可靠性及標準性得不到保證，甚至出現事故。隨著計算機進入控制領域，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，特別是新型的電力電子功率器件出現和應用，使得由全控型器件組成的數字直流調速系統成為主流，在數字調速系統中以DSP作為主控器件是一種最佳選擇。

2 總體結構設計

2.1 調速方案的選擇

由于晶閘管的開關頻率低，因而輸出電流存在諧波分量，轉矩脈動大，限制了調速范圍，深度調速時功率因數低，而由于全關斷器件開關頻率高，由它組成的PWM變換器直流調速系統有較高的動態性能和較寬的調速范圍，且主電路結構簡單，需要的功率器件少，電樞電流容易連續，諧波少，特別是低速時性能好，動態抗干擾能力強。根據系統的需要，由于要求直流電壓脈動較小，調速范圍寬，動態性能好，故本文設計的直流調速系統，主電路采用不控整流和H型雙極性PWM變換器給電機供電，控制電路采用電流環和轉速環組成雙閉環控制，它有無噪音、無磨損、響應快、體積小、重量輕、投資省、工作可靠、能耗小、效率高等特點。

2.2 系統結構選擇

采用轉速電流雙閉環控制結構，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級聯接，兩個調節器采用PI調節器的形式，在啟動過程中由于轉速外環很快達到飽和，只有電流負反饋起作用，此時相當于在最大允許起動轉矩的情況下進行恒流起動，系統獲得最大的加速度，且電流和轉速負反饋分別加到兩個調節器的輸入端，到達穩態轉速時，轉速環起調節作用，系統進行轉速調節，靠轉速負反饋，使轉速穩定，此時電流環只起跟隨作用，這樣就可以實現準時間最優控制，使系統能夠獲得良好的靜、動態性能［1］。系統的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 DSP控制的直流雙閉環調速系統結構圖

3 系統硬件與軟件設計

3.1 系統硬件設計

以TMS320LF2407A為控制核心的直流電機雙閉環控制系統的全數字化控制框圖如圖2所示。

圖2 控制系統硬件結構框圖

整個系統由DSP作為主控芯片、用增量式光電編碼器、霍爾傳感器等組成的信號檢測電路、驅動隔離和保護電路等幾大部分組成；主電路分為不控整流橋和H型PWM變換器兩部分。圖中的H型驅動電路通過DSP的PWM輸出引腳PWM1～PWM4輸出的控制信號進行控制。用霍爾電流傳感器檢測電流，并通過ADCIN00引腳輸入給DSP，經A/D轉換產生電流反饋信號和作為故障保護輸入信號之一；用電壓霍爾檢測電壓信號，并通過ADCIN01引腳輸入給DSP作為故障保護輸入信號、泵升電壓判別信號和顯示電壓用。采用增量式光電編碼器檢測電動機的速度變化，經QEP1、QEP2引腳輸入給DSP，獲得速度反饋信號。設計采用兩片74LS374和4個PNP中功率三極管以動態掃描方式驅動4位LED數字，以顯示轉速、設定速度、電流等數據，兩片74LS374與DSP接口。在DSP上外接3個按鍵，一個為啟動/停止鍵，用于啟動和停止電機運轉；另兩個顯示選擇鍵，一個用于控制顯示速度設定值，另一個用于控制顯示電流值，不按這兩個鍵時，顯示實際電機轉速。另外利用一片74LS374的多余輸出線，外接兩個發光管二極管，一個用于顯示工作正常與否，它每隔1秒閃亮一次；另一個用于顯示是否處于運行狀態。

3.2 電流、電壓檢測電路

電流檢測采用LA108－P電流傳感器對主電路電流進行采樣，系統的電流檢測電路如圖3所示，由圖可見，先將電流霍爾檢測到的電流ia經過信號比例放大，全波整流，輸出供TMS320LF2407A的A/D端口，將模擬量轉換成數字量，然后進行相應處理。

用LV228P電壓傳感器檢測主電路的電壓，檢測的電壓信號送往DSP的A/D端口，從而獲得實時的電壓電流信息。

3.3 速度檢測

對于要求精度高、調速范圍大的系統，往往需要采用旋轉編碼器測速，即數字測速。本系統的速度測量采用數值M/T法測速。速度采用HEDS－5605光電編碼器進行檢測，利用TMS320LF2407A芯片的正交編碼脈沖電路對其輸出信號四倍頻，利用定時器對脈沖進行計數，從而得到速度反饋量。

3.4 調節器的設計

圖3 電流檢測電路

調節器的數字化設計中，若采樣頻率足夠高時，可以近似看成是模擬系統，先按模擬理論來設計調節器參數，然后再離散化，得到數字控制算法，使模擬調節器數字化，即間接設計。如果控制性能要求較高，則根據離散控制系統理論設計調節器，即直接法設計。本系統中電流調節器采用間接方法設計，轉速調節器按照直接法設計。為了使電流環超調小，按典I系統設計電流調節器。電流環控制對象由兩個慣性環節組成的，因此可用PI型電流調節器，其電流調節器傳遞函數：

可導出離散化方程：

由上式可得出增量式PI算法：

而調節器的輸出為：

轉速調節器的設計則可根據轉速環按典型Ⅱ系統設計的目標，選為PI調節器，設計方法參考電流調節器。

4 系統軟件設計

系統軟件主要有主程序和中斷服務程序二大部分，主程序主要是完成系統初始化，開關機檢測，開關機初始化，然后進入主程序循環等待中斷，主程序流程圖如圖4所示。中斷服務程序包括周期中斷程序、下溢中斷程序、電流環中斷服務程序、轉速環中斷服務程序等。電流環中斷服務程序主要完成電機鎖零運算、電流調節器PI運算、輕載時電流自適應的運算。在每一個PWM周期都進行一次電流采樣和電流PI調節。轉速環中斷服務程序主要完成速度給定值輸入，轉速計算、偏差計算、輸出幅限等功能。本系統采用定時器1周期中斷標志來啟動A/D轉換，轉換結束后申請ADC中斷，ADC中斷處理子程序框圖如圖5所示。PWM生成子程式序流程圖如圖6所示，寫入比較寄存器CMPRX中的值與控制信號的值對應，決定了PWM輸出的占空比ρ，調ρ時實現調速，本設計中應用DSP生成PWM波的特點，只需在程序初始化時向周期寄存器TXPR寫入PWM周期T，在程序運行中根據比較寄存器CMPRXR的值的變化改變占空比ρ，從而進行速度調節。

5 實驗結果及結論

圖4 主程序流程圖

根據上述硬件和軟件設計，利用TMS320LF2407A作為主控芯片搭建了實驗系統，實驗用電機的主要參數為：電機額定功率10kW，電機額定電壓DC220V，電機額定電流55A，電機額定轉速1000r/min。系統在空載時起動至額定轉速，起動轉速如圖7所示，由圖7可見系統運行穩定，穩態無靜差，系統響應快，轉速基本無超調。PWM驅動波形如圖8所示，通道2為占空比為17.5%時的波形，通道5為占空比為50%時的波形。

圖5 ADC中斷程序框圖

圖6 PWM波形生成子程序流程圖

圖7 轉速曲線

圖8 不同占空比時的PWM波形

研究了基于DSP的全數字直流調速系統，由TMS320LF2407A組成的直流調速系統，只需很少的外圍器件，成本較低，是一種優良的全數字實現方案。實驗結果證明，提出的基于控制方案具有優良的動態響應和穩態特性。

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［2］陳 堅.電力電子學［M］.北京：高等教育出版社2002.

［3］Horng JH.Neural Adaptive Tracking Control of a DCMotor［J］.Information Science，1999，118：1－13.

［4］王曉明.王 玲.電動機的DSP控制［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.