基于DSP的交流感應電動機控制研究

2020-09-10 07:22:44林云

內燃機與配件 2020年14期

林云

摘要：本文利用DSP -TMS320C240數字信號處理器來對相應的交流電動機控制系統進行設計，通過TMS320C240型微處理器來進行電機控制，采用KALMAN 濾波器實現對電動機的運速估算，由8279芯片進行鍵盤與顯示管理，并設計了中斷模塊與初始化模塊。以此深入研究基于DSP的交流感應電動機控制方法。

關鍵詞：DSP;交流感應;電動機控制

0 ?引言

近年來，現代工業的飛速發展，使工業領域廣泛應用數字信號處理器（DSP）來進行交流電動機控制，并取得了非常理想的控制效果。通過數字信號處理器的應用，能夠大幅提高交流電機的控制靈敏性和可靠性，而且花費成本較低，可有效滿足工業生產需要。為此，以下便對基于DSP的交流感應電動機控制進行深入的研究。

1 ?控制對象

在本文中的控制對象為異步電動機，該電動機的參數中，Pn、Vn、In、Nn的值分別為500W、127V（相）、2.9A和1500轉每分鐘，其極對數及滑差分別為2與0.066。異步電動機的定子電阻、漏感、電感及轉子漏感、電感、電抗和轉動慣量分別為4.495Ω、16mH、165mH、13mH、162mH、5.365Ω和0.95×10，而激磁電感則為149mH。

2 ?性能指標

在異步電動機的運行速度調節控制中，其控制微處理器型號為TMS320C240，參量采集則通過KALMAM濾波來實現，異步電動機運行速度的調控范圍在每分鐘500至1500轉，并采用變頻調整方式。在調速系統中，利用鍵盤可對電機轉向及轉速進行設置，并由LED顯示屏來對電動機的實際轉速進行實時顯示。

除此之外，該系統還采用欠壓保護、過電流保護、失壓保護（鎖定起動開關、零壓保護）以及過載保護來保障異步電動機的運行安全，調速方式為SVPWM。

3 ?硬件部分的設計

在基于DSP的交流感應電動機控制系統中，其硬件結構主要包括電動機、逆變器、輸入濾波器、整流器、DSP以及輔助部分。

基于DSP的交流感應電動機控制系統中的控制核心采用TMS320C2系列中的TMS320C240型微處理器，該微型處理器是一種對交流電動機進行專業化控制的數字信號處理器，在微型處理器中的PWM輸出共包括12 路，而微處理器中的內核則共計32位，并具備4級流水線，該處理器的運行頻率可達到20MHz，在TMS320C240中還對16K的FLASH ROM進行了內置。在系統硬件設計中不需要對其他程序存儲器進行配置。兩相定子電流會通過TMS320C240處理器中的ADCIN2-ADCIN3輸送至KALMAN 濾波器，并由KALMAN濾波器來估計出電動機的實際運轉速度。對逆變器的控制則通過PWM1-PWM6六路PWM輸出來實現。對于顯示芯片8279及鍵盤控制則通過I/O端口來實現，并且將OPB端口作為8279數據的數據傳輸端口，而8279所需的CLK則通過TMS320C240中的CLKOUT腳來進行供給。

電動機負責保護PDPINT，要想使電動機在出現過電流、欠電壓、矢電壓、過載等狀況時能夠快速中斷，需要設定給定值，然后對實際定子電流進行采集并實施數模轉換，對比轉換值是否超出給定值，如果超出則自動進行中斷，從而使整定值得到有效保護，并且TMS320C240中的PDPINT會自動被觸發，微處理器會中斷逆變器驅動電平輸出，同時對狀態返轉進行鎖定。

對于PRESET，則將其和手動復位電路與開機復位電路進行連接。考慮到系統模擬部分與數字部分并未徹底隔離，因此需要確保模擬電壓與數字電源的輸入都采用同一5V，分隔模擬地與數字地，并通過一點接地法，以使系統具有更強的抗干擾性能。在系統ADC單元中，其基準電壓則采用供電電源，VREFLO 接地、VREFHI 接+5V。為了提高系統抗干擾性和可靠性，還要使用看門狗。在對系統的鍵盤和顯示器進行設計時，需要采用8279鍵盤顯示器接口，該接口中對FIFO進行了內置，最大鍵值存入量為八個，FIFO會讀入按下鍵，并將中斷信號發送給CPU，而CPU則可讀入鍵值。在系統的顯示部分中，應用了16×8 位顯示RAM，該RAM能夠對16位顯示器進行接入，在此過程中，CPU會對RAM地址進行顯示，然后寫入或讀出RAM地址。通過RAM地址能夠進行自動加1，以便于CPU對讀出鍵、通訊鍵、回車鍵、刪除鍵等多達16個按鍵進行讀出。系統中采用的顯示器通過6位LED進行數字顯示，其能夠對鍵盤輸入狀態、速度進行顯示。在電動機運轉過程中，LED顯示屏會對其實際轉速進行準確顯示，而轉速單位則采用1RMP，對于輸入轉速單位則同樣采用 1RMP。

在管理鍵盤與顯示器時則通過8279芯片來實現，需要將8279當作一個I/O口，考慮到外部I/O口僅有1個，所以不用進行譯碼。在8279中的CS、RD、WR以及A0分別通過IS、R、W、A0進行控制。A0電平的高低能夠決定數據、命令及狀態在8279芯片線上的傳送，當A0處于低電平時，則傳送數據，而當A0處于高電平時，則傳送命令與狀態。在I/O地址內分別用0001H與0000H來對應命令或狀態與數據。CLK時鐘信號會輸入到8279芯片中，而時鐘信號輸出則由TMS320F240的CLKOUT腳來完成，所以需要將兩者連接起來。對于TMS320F240來說，其時鐘頻率可達到20MHz，而8279芯片的時鐘頻率則達到約100kHz，因此需要把8279芯片分頻的值設定在200左右。在8279芯片上，采用74LS138對SL0-SL2掃描輸出線實施3-8線譯碼，以便于掃描顯示器與鍵盤。在對顯示部分進行設計時，LED信號通過8279芯片上的LED顯示輸出端口OUTA0-OUTA3來進行輸出，8段LED陽極及其陰極則分別通過電阻外拉+5V和7407驅動器來實現驅動。由此SL0-SL2在對各個LED進行掃描的過程中，便可將對應數據進行顯示。在基于DSP的交流感應電動機控制系統中，其鍵盤包括兩組鍵位，每組8個，以此構建通過2×8 矩陣，并且各組鍵位采用同一線路，并在RL0與RL1中分別接入，在矩陣中，還有其他8根輸入線，即74LS138輸出線。如果操作人員按下鍵盤中的某個鍵，8279芯片可對RL0與RL1狀態進行掃描，便能夠對具體的按下鍵位進行準確判斷。

在本文所設計的系統中，ROM字節為3k，而RAM則僅為1k，并且DPS的能量消耗不到一半，因此能夠確保控制時間在50微秒內完成，而控制誤差則只有1%，系統運行效率更是高達85%以上，通過DSP控制器的應用，可大幅降低系統損耗，使系統的驅動穩定性得到顯著改善。

4 ?軟件部分的設計

在基于DSP的交流感應電動機控制系統中，其軟件部分由兩大模塊組成，分別是中斷模塊與初始化模塊，其中中斷模塊能夠通過PWM申請進行中斷控制，PWM申請會列入到中斷服務隊列（ISR）中進行響應，以此對FOC算法進行完整執行。在軟件部分的顯示器及鍵盤程序的設計工作中，LED顯示可通過8279芯片進行單獨管理，因此TMS320F241可用動態化的掃描LED狀態，其僅需對信息變化進行顯示的過程中對相應的RAM內容進行改變即可。

系統中斷控制方式則由鍵盤進行管理，當鍵盤中的鍵位被按下以后，會在中斷服務程序中自動加入。8279的FIFO鍵值則通過中斷服務程序進行讀取，然后依據具體鍵值來對對應的功能子程序進行執行。在鍵盤中的各個鍵位中，與之相對應的FIFO輸入數據具體如下：“START”-11H、“ENTER”-39H、“STOP”-19H、“SET”-29H、“DEL”-31H、“COM”-21H、“0”-00H、“1”-08H、“2”-10H、“3”-18H、“4”-20H、“5”-28H、“6”-30H、“7”-38H、“8”-01H、“9”-09H、“0”-“9”同樣也有字形數據相對應，分別為3FH、06FH、5BH、4FH、66H、6DH、7DH、07H、7FH、6FH。“C”-39H，“P”-73H，“S”-6DH，“O”-3FH，“F”-71H，“N”-37H，“_”-04H，“E”-79H。為了驗證DSP對異步電動機的控制效果，可將DSP系統應用到內燃機車的交流電機控制中，在系統中的主要部件有內燃機車交流電機、PLC控制器以及PWM驅動器等，通過系統輸出信號來對內燃機車中的交流電機調速驅動信號所具有的占空比關系進行調整。

在通過MATLAB實施仿真過程中，可將內燃機車中的交流電機實際轉速假設為1750r/min，并在負載不同情況下進行電機測試，以此對內燃機車中的交流電機在轉動速度上的變化情況進行曲線繪制，以此對內燃機車交流電機的穩定時間、過沖性能以及轉速提升所需時間等參數進行計算。通過綜合對比可了解到，當負載較大時，電機速度提升所需要的時間較短，但電機穩定時間以及過沖率卻比較小，而負載較小時，其速度提升用時較長，但在穩定性上表現良好。

仿真結果表明，采用本文中的DSP系統能夠實現對內燃機車交流電機的快速控制，內燃機車的電機轉速的穩定時間能夠控制在0.21s以內，這說明本文所設計的DSP系統能夠有效應用于交流感應電動機的控制工

作中。

5 ?結語

通過實驗結果表明，在對交流感應電動機控制系統進行設計時，應用TMS32OC240芯片能夠顯著提高該系統的可靠性和靈敏性，而且花費的成本也較低，能夠滿足工業領域的控制要求。

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