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基于TMS320LF2407A和AT89S52三相異步電機雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計排行榜 收藏 發(fā)給朋友 舉報 發(fā)布者:Saiu 熱度1票瀏覽1次 【共0條評論】【我要評論】 時間:2011年2月15日 10:02摘要:針對某裝備中三相交流異步電機調(diào)速的要求,以TMS320LF2407A和AT89S52為核心采用磁場定向控制策略設(shè)計了一電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng),給出了硬件原理框圖、關(guān)鍵器件、設(shè)計思想和程序流程圖。實驗結(jié)果表明,該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快,控制精度高,實時顯示,數(shù)據(jù)存儲,抗干擾強等優(yōu)點。關(guān)鍵詞:TMS320LF2407A;AT89S52;異步電機;磁場定向控制;實時顯示O 引言 三相交流異步電機以其結(jié)構(gòu)簡單,體積小,重量輕,價格低,維修方便等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于武器裝備、給料系統(tǒng)、數(shù)控機床、柔性制造技術(shù)、各種自動化設(shè)備等領(lǐng)域,其轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決定了設(shè)備性能的發(fā)揮。隨著高性能微處理器及新型電力電子器件的出現(xiàn),使得應(yīng)用全控型電力電子器件和空間矢量(SVPWM)控制技術(shù)進行變頻調(diào)速的方式已成為交流電機調(diào)速控制的主流。 相對于其他微處理器,DSP具有運算速度快,可以自己產(chǎn)生有死區(qū)時間的PWM輸出,可以實現(xiàn)諸如模糊控制等復(fù)雜的算法,外圍硬件少等優(yōu)點,因而廣泛用于電機的數(shù)字控制。本文以TMS320LF2407A DSP芯片和AT89S52單片機為核心,設(shè)計了針對三相交流異步電機的全數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有實時顯示,數(shù)據(jù)存儲,動態(tài)響應(yīng)快,控制精度高,抗干擾性強等優(yōu)點。1 TMS320LF2407A簡介 TMS320LF2407A主要包括算術(shù)邏輯運算單元(CALU)、寄存器集、輔助算術(shù)邏輯單元(ARAU)、乘法器、乘法移位器、累加器、加法移位器、時鐘鎖相環(huán)電路、兩個完全等同的事件管理器A,B(包括通用定時器、比較單元、捕獲正交編碼器脈沖電路)、內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器、雙串口、看門狗、CAN總線電路單元等。 TMS320LF2407A采用先進的哈佛結(jié)構(gòu),流水線作業(yè),在30 MHz內(nèi)部時鐘頻率下,指令周期僅為33 ns。其內(nèi)部存儲器包含2類RAM塊。一類為DRAM,另一類為SRAM。對DRAM而言又劃分為3個RAM塊,即B0,B1,B2,容量依次為256字,256字,32字。這些RAM全部允許在一個指令周期內(nèi)訪問兩次,因此在數(shù)據(jù)處理能力上有顯著的增加。同時,B0塊還可以通過程序動態(tài)地配置為數(shù)據(jù)存儲器區(qū)或程序存儲器區(qū)。若配置為程序區(qū)可在上電時把浮點算法子程序或者數(shù)據(jù)表從外部慢速EPROM裝入此區(qū)域,從而緩解高速處理器與慢速外設(shè)之間的矛盾,這對提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能有很大幫助。TMS320LF2407A內(nèi)部含有內(nèi)嵌采樣保持的10位精度、高速AD轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換時間最短為500 ns(采樣保持+轉(zhuǎn)換時間)。除此之外TMS320LF2407A還有豐富的、功能強大的中斷系統(tǒng)以及常用的IO接口,這些都使設(shè)計調(diào)速控制系統(tǒng)時的硬件電路得到簡化。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 基于TMS320LF2407A三相交流異步電機雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。 系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓型變頻器,功率器件采用智能功率模塊IPM。該模塊包含了6個IGBT和6個與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管。控制電路部分由AT89S52單片機控制單元、TMS320LF2407A控制器單元、電流檢測電路、電壓檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、過流保護電路、液晶顯示電路和鍵盤輸入接口電路等模塊組成。21 AT89S52單片機控制單元 AT89S52控制單元主要完成以下功能:一是通過鍵盤輸入接口完成對給定轉(zhuǎn)速的設(shè)定;二是通過液晶顯示單元完成對給定轉(zhuǎn)速、電機啟動時轉(zhuǎn)速和達到穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速的顯示;三是完成對雙口RAM中存儲數(shù)據(jù)的讀取,并將讀取的數(shù)據(jù)通過USB接口電路導(dǎo)入上位機或通過DA輸出電路輸入到模擬設(shè)備。其中,液晶顯示單元采用中文圖形兩用型液晶顯示模塊OCMJ4X8B-2;鍵盤輸入采用矩陣式按鍵鍵盤可以通過單片機調(diào)用預(yù)設(shè)的漢字,可以輸入數(shù)字(用來設(shè)置轉(zhuǎn)速);雙口模塊用來存儲TMS320LF2407A采集的變量波形數(shù)據(jù)。22 TMS320LF2407A控制單元 TMS320LF2407A控制單元的電路原理圖如圖2所示。該控制單元電路主要包括光耦隔離電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、電流檢測電路和電壓檢測電路,分別完成對IPM的驅(qū)動、轉(zhuǎn)速檢測與控制、過流保護、過壓和欠壓保護等功能。 光耦隔離電路由6片東芝公司的TLPl27及相應(yīng)的限流電阻組成,主要完成TMS320LF2407A與IPM智能功率模塊的電氣隔離,并將輸出的PWM信號放大。 轉(zhuǎn)速檢測電路采用歐姆龍1024原旋轉(zhuǎn)型線編碼器E6B2-CWZ6C,編碼器輸出的脈沖經(jīng)過TMS320LF2407A內(nèi)部4倍頻后可以實現(xiàn)每轉(zhuǎn)4 096個脈沖,從而保證了轉(zhuǎn)速的精度。根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)與給定數(shù)據(jù)比較,調(diào)整DSP輸出驅(qū)動脈沖的寬度,從而調(diào)節(jié)交流電機的轉(zhuǎn)速。 電流采樣電路采用3片霍爾電流傳感器CN61MTBC25C04,一路將檢測到的直流母線上瞬時電流值送入過流保護電路,當(dāng)其值大于過電流值時,相應(yīng)過流保護電路動作產(chǎn)生保護信號,關(guān)斷PWM信號的輸出;另外兩路檢測流過電動機的電流,通過變換改變DSP輸出的驅(qū)動脈沖,進而保持電機的轉(zhuǎn)速不變。在本文設(shè)計的控制系統(tǒng)中,TMS320LF2407A采用了ADCIN00,ADCIN01和ADCIN02三路通道,以采集電機A相、B相和直流母線的電流。 直流母線的采樣電壓通過ADCIN03通道輸入DSP,根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù),在電壓超過設(shè)定的上、下限值時,DSP關(guān)斷PWM脈沖的輸出,從而實現(xiàn)過壓和欠壓保護功能。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計31 閉環(huán)調(diào)速控制的原理 本文設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。 其中,給定速度由鍵盤輸入接口電路輸入AT89S52單片機控制系統(tǒng),速度PI調(diào)節(jié)、電流PI調(diào)節(jié)、磁場位置角和轉(zhuǎn)速反饋量的計算由TMS320 LF2407A計算實現(xiàn)。測得的電機轉(zhuǎn)速通過AT89S52控制系統(tǒng)輸出到液晶顯示單元上實時顯示。 假設(shè)電機定轉(zhuǎn)子三相繞組完全對稱;定轉(zhuǎn)子表面光滑,無齒槽效應(yīng),定轉(zhuǎn)子每相氣隙磁動勢在空間呈正弦分布;磁飽和、渦流及鐵心損耗均忽略不計,則三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)矩方程如下: 式中:Lr,Lm分別為轉(zhuǎn)子自感和互感;p是微分算子;isq是定子電流在q軸上的分量;rd是轉(zhuǎn)子磁鏈在d軸上的分量。 從式(1)可以看出,異步電機的轉(zhuǎn)矩與定子電流矢量和轉(zhuǎn)子磁場以及夾角有關(guān)。因此,要想控制轉(zhuǎn)矩,必須先檢測和控制磁通。當(dāng)dq坐標(biāo)系在同步旋轉(zhuǎn)磁場上且靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中對應(yīng)的直流量時,使d軸和轉(zhuǎn)子磁場方向重合,可得到磁場定向控制方程如下: 由式(2)可知,檢測到定子電流的d軸分量(勵磁分量)可觀測出轉(zhuǎn)子磁通幅值;由式(4)可知,當(dāng)rd恒定時,只要控制定子電流的q軸分量(轉(zhuǎn)矩分量),即可控制電磁轉(zhuǎn)矩。具體工作原理如下: 通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流iA,iB,經(jīng)過DSP的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,并利用ic=-(iA+iB)計算出ic。電流iA,iB,iC通過Clarke變換和Park變換得到了dq坐標(biāo)系下的勵磁反饋電流isd和轉(zhuǎn)矩反饋電流isq,與給定的勵磁電流isdref和轉(zhuǎn)矩電流isqref的差通過PI調(diào)節(jié)后,再經(jīng)過Park逆變換輸出坐標(biāo)下的電壓,DSP利用該電壓生成三相逆變器所需的六路驅(qū)動信號。實時測量的電機轉(zhuǎn)速信號一方面用于與給定速度比較產(chǎn)生isqref,另一方面進入電流一位置磁鏈轉(zhuǎn)換模型求出磁鏈的位置,并用于Clarke和Park逆變換。32 程序流程圖 AT89S52單片機控制系統(tǒng)上電后,首先通過鍵盤輸入接口輸入給定轉(zhuǎn)速,單片機將給定轉(zhuǎn)速存儲在雙口RAM中,同時,給定轉(zhuǎn)速通過單片機P0口輸出到液晶顯示單元的驅(qū)動控制芯片SED1520,由SED1520驅(qū)動OCMJ4X8B-2顯示轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速的顯示范圍為O9 999 rmin,然后通過鍵盤來確定是否要對相關(guān)變量采樣并存儲。該部分程序流程圖如圖4(a)所示。 其次給TMS320LF2407A DSP控制系統(tǒng)上電,運行初始化程序完成初始狀態(tài)的設(shè)定(包括對相關(guān)變量采樣數(shù)據(jù)存儲等),DSP控制系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)速和電樞電流采樣,與給定值進行比較,若達到設(shè)定轉(zhuǎn)速,則循環(huán)運行,當(dāng)給定轉(zhuǎn)速改變時,進入中斷處理子程序。主程序流程圖和中斷處理子程序流程圖分別如圖4(b)和圖4(c)所示。4 實驗結(jié)果 對電機的轉(zhuǎn)速、定子電流、磁通等變量進行采樣、保存,并通過USB接口電路轉(zhuǎn)移到上位機;在上位機上得到的實驗波形如圖5所示,波形的數(shù)據(jù)采樣點為2 048。 從圖5(a)上可以看出,電機在很短的時間內(nèi)達到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值1 000 rmin。在啟動過程中,定子電流由于PWM控制,產(chǎn)生一定的波動,當(dāng)轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值后,定子電流也很快趨于穩(wěn)定,動態(tài)響應(yīng)很快;從圖5(b)上可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,定子電流的q軸分量(轉(zhuǎn)矩分量)基本沒有變化,電機的電磁轉(zhuǎn)矩也不會發(fā)生變化;從圖5(c)和(d)可以看出,當(dāng)電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,電機的磁場變化幅度可以忽略,從而電機的轉(zhuǎn)速也不
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