摘 要: 數字信號處理芯片TMS320F240是針對電機、運動控制的專用DSP控制器。利用控制器DSP（TMS320F240）實現感應電機直接轉矩控制系統的全數字化，對控制系統的硬件包括外圍接口進行了設計，并用DSP匯編語言進行了軟件編程設計。通過試驗證明了系統設計的正確性。實驗結果表明: 系統具有優越動態和靜態性能。 關鍵詞：DSP;感應電機;直接轉矩控制;數字控制 ABSTRACT: Aiming at the control of induction motor，the digital direct torque control scheme is implemented with DSP （TMS320F240）, which is developed specially for motor and motion control. The hardware is completely designed including wealthy peripherals and software is programmed in DSP assembly language. All the design above is confirmed by experiment. It indicates the control system of induction motor has better dynamic and static characters. KEY WORDS: DSP; Induction Motor; Direct Torque Control; Digital Control 1 引言 　　TMS320F240是面向電機控制具有特殊設計的DSP，因內核具有20MIPS的高速處理能力和面向電機控制的專用外圍設備，因此在電機的全數字控制中得到了廣泛的應用。芯片主要包括F240中央處理單元（CPU）;TMS320F240的外設包括1）事件管理器;2）模數轉換模塊;3）串行接口模塊;4）系統保護模塊。利用微處理器來控制各類電機，不僅能方便的實現控制電路，并且能完成各種復雜的、高性能的控制策略。微處理器通過控制電機的電壓、電流、轉矩、轉速以及轉角，使電機按給定的指令準確工作，可使電機的性能有很大的提高。本文以F240為核心，構建了系統的外圍硬件，編制了系統控制軟件，最后用實驗實現感應電機的全數字控制的算法。 2 感應電機直接轉矩控制原理 　　直接轉矩控制是將逆變器的控制模式和電機運行性能作為一個整體，通過控制感應電機的輸入電壓來實現對電動機定子磁鏈的控制。當感應電機是由一個三相逆變器供電時，則電動機輸入電壓完全取決于逆變器開關切換模式，而電動機磁通的波形又取決與輸入電壓的模式。因此直接轉矩控制的目標就是建立磁鏈和逆變器開關模式之間的關系，通過控制逆變器開關正確的切換，使電動機氣隙獲得一個近似圓形的磁場。在直接轉矩控制中，通過空間電 　　壓矢量 來控制定子磁鏈的旋轉速度，以改變定子磁鏈的平均旋轉速度的大小，從而改變轉差也即磁通角的大小來控制電動機的轉矩。通過定子磁鏈區間判斷，磁鏈滯環調節、轉矩滯環調節三個功能模塊的輸出來確定逆變器開關信號，達到控制電機的轉速和轉矩的目的。系統控制基本結構如圖1所示。分別為定子電壓、電流、定子磁鏈和電磁轉矩。 [align=center] 圖1 感應電機控制系統框圖[/align] 3 系統硬件結構 　　實現控制系統的硬件電路結構包括定子電流測量的A/D轉換電路、進行PI調節所需的速度測量電路、F240的主控制電路以及輸出的PWM脈沖控制的整流逆變主回路。逆變電路采用三菱公司PM50RSA120智能功率模塊。DSP芯片與上位機的通訊采用RS232總線，F240提供SCI串行通信接口模塊。系統選用MAX232C完成TTL電平（0V，5V）到RS232信號電平（+12V，-12V）的轉換。在F240和主回路之間采用光電隔離，輸出的控制信號經光耦隔離電路傳送至主回路。控制系統構成如圖2所示。 [align=center] 圖2 控制系統硬件框圖[/align] 　　電機定子相電流的檢測采用LEM公司的電流傳感器LA25-NP。電流傳感器的輸出經運算放大器，送到TMS32OF240的高速模數轉換端口。F240的雙A/D轉換電路可同時對兩路信號進行轉換，可同時測量A、B相電流，獲得實時的定子電流值。采樣電路如圖3所示。電機的測速采用增量式光電碼盤，光電碼盤輸出的兩路互錯90º的A、B兩路光電脈沖。將這些脈沖信號送入TMS32OF240的捕獲單元或正交編碼電路（QEP），檢測連續兩次脈沖信號的邊沿跳變，使能TMS32OF240的內部定時器計數，由M/T法得到電機的轉速。轉速測量電路如圖4所示。 [align=center] 圖3 采樣調理電路 [/align] [align=center] 圖4 轉速測量電路[/align] 4 控制算法軟件設計 　　系統軟件的主程序主要包括對所用到的變量的初始化，系統各模塊的初始化。等待定時器T1下溢中斷，進入中斷服務子程序實現算法及控制功能。中斷服務程序如圖5所示。當中斷發生時，CPU指向中斷向量表的相應地址，并置位中斷標志IFR和EVIFRA，CPU響應中斷后，跳轉到指定的通用中斷服務程序，中斷標志IFR自動清零，并置位中斷方式位INTM，禁止其它所有可屏蔽的中斷。 [align=center] 圖5 中斷服務子程序流程圖[/align] 　　在中斷程序中，要完成的子程序包括對反饋信號（電流、電壓以及轉速）的采樣和轉換，3/2坐標變換，磁鏈和轉矩的計算以及滯環調節，開關狀態的判斷以及脈沖信號的輸出等操作，實現直接轉矩控制算法。輸出信號實現對電機的控制。 5 實驗結果 　　三相感應電動機采用Y形接法，額定功率0.2KW，定子額定電壓380V，頻率50Hz，額定轉速1420r/m。通過實驗驗證了電流電壓采樣、相電壓計算、坐標變換、定子磁鏈計算等程序的正確性。當設定定子磁鏈大小為時，圖6為實測的近似圓形的磁場;當參考轉子速度給定為400r/m時，速度響應能在一個較短的時間內穩定在設定值，此時電機的輸出轉矩為4.5N.m。圖7分別為實際的轉子速度與電機輸出轉矩響應曲線。 [align=center] 圖6 近似圓形的磁場 圖7 速度響應與輸出轉矩曲線[/align] 6 結論 　　本文作者創新點：通過DSP芯片TMS320F240實現了全數字化的交流調速控制系統包括控制的外圍電路設計，并用匯編指令編寫了直接轉矩控制算法，實時運算能力實現高效的控制算法，實驗結果驗證了本數字化控制系統具有優良的可靠性和靈活性。說明了采用全數字化的DSP芯片以其高速的運算能力，成為感應電機交流調速控制的發展方向。 參考文獻 　　[1]李永東.交流電機數字控制系統[M].北京：機械工業出版社.2002 　　[2]李夙.異步電動機直接轉矩控制[M].北京：機械工業出版社.1999 　　[3]王濤.可視化軟件的設計[J].微計算機信息.2002,6：24-26 　　[4]王濤,肖建,李冀昆.基于變增益控制理論的感應電機轉子磁鏈觀測[J]. 電力系統及其自動化學報。2006,18（1） 　　[5]李冀昆，高仕斌，王濤.感應電機直接轉矩控制仿真研究[J].控制工程2004,11（5）