摘要：針對交流異步電機的特性，設計了一套基于DSP的交流異步電機高精度調速系統。系統應用矢量控制技術作為系統的總體控制方案，以TI公司電機控制專用的高速數字信號處理器(DSP)TMS320F2812為系統的核心處理器，三菱電機公司的PS21246智能功率模塊(IPM)為逆變器件，在此基礎上運用空間電壓矢量脈寬調制技術和模糊PI控制算法，構建了一個基于TMS320F2812 DSP的交流異步電機高精度控制平臺。
關鍵詞：DSP；IPM；矢量控制；SVPWM；模糊PI

    近20年來，隨著新型電力電子器件的出現，控制器也實現了從8位單片機到32位DSP的轉變，特別是新型控制方法的出現，如：矢量控制、直接轉矩控制以及模糊控制等，使得高精度交流異步電機調速系統實現成為可能。矢量控制具有轉矩平滑，調速范圍寬的特點。空間矢量脈寬調制技術(space vector PWM，SVPWM)物理概念清晰，電機脈動轉矩小，直流電壓利用率高，且易于實現。本文設計并實現了一套基于DSP的高精度交流調速系統，系統采用高速DSP芯片TMS320F2812作為核心，基于矢量控制與SVPWM相結合的控制方式，利用TMS320F2812芯片的事件管理器模塊(event manager，EV)產生對稱SVPWM脈沖，逆變器則采用智能功率模塊(intelligent power module，IPM)，保證了系統可靠性。在此基礎上綜合模糊PI控制算法，最終設計并構建了基于DSP的高精度交流調速系統。

1 系統的硬件總體設計
    系統為基于高性能處理器的全數字交流調速系統，利用處理器實現對電機的速度環和電流環控制，與傳統的模擬調速系統相比，有著結構簡單、功能靈活多樣、抗干擾能力強等優點。圖1為交流調速系統的結構框圖。

    系統由弱電控制、強電驅動以及信號采集3部分組成。弱電控制部分是系統的控制核心，其完成對電機的控制、信號量的設定。強電驅動部分是由逆變電路、三相整流橋和三相交流電源組成，其將不可控的三相交流電轉化為頻率可控的三相交流電來驅動電機。信號采集部分則由電流、測速傳感器組成，負責對電機進行電流和轉速的檢測，為系統提供反饋信號。以上3部分有機的組合在一起就構成了一個高精度交流電機調速系統。

2 主要硬件芯片的選型及相關電路設計
2．1 DSP芯片的選型
    主處理器選擇了TI(美國德州儀器)公司的TMS320F2812芯片，F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片，最高可在150 MHz主頻下工作。F2812片內集成眾多資源：存儲資源FLASH、RAM；標準通信接口，如串行通信接口(SCI)、串行外設接口(SPI)、增強型eCAN總線接口，方便與外設之間進行通信。在F2812內部還集成了一個12位的ADC轉換模塊，最高采樣速率達12．5 MS／s；F2 812片上還包括事件管理器(EV)、定時器、看門狗以及大量的用戶可開發利用的GPIO口等資源。該芯片具有很高的性價比，廣泛應用于工業控制，特別是應用于處理速度、處理精度方面要求比較高的領域，十分適合于本文的高精度電機控制系統。
2．2 逆變電路
    逆變電路將整流后的直流電變成可控的交流電，考慮系統的安全性和穩定性要求，此部分采用模塊化的設計思想，即選擇智能功率模塊IPM作為功率器件。
    IPM是一種先進的功率開關器件，具有高電流密度、低飽和電壓、耐高壓、高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率等優點。IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，不僅減小了系統的體積以及開發時間，也增強了系統的可靠性。
   系統采用了日本三菱電機的PS-21246系列的IPM智能功率模塊。當IPM發生故障時，FO引腳輸出低電平，產生PDPINT功率保護中斷，實現保護。
2．3 高速隔離電路
    為實現低壓數字電路和高壓功率電路之間的電氣隔離，通常采用光耦隔離，另外，由于SVPWM算法輸出信號頻率較高，需要反應速度較快的光耦，普通的P521光耦無法滿足速度要求，故設計中采用的是一款專用的IPM驅動芯片HCPL-4504。
    HCPL-4504是美國安捷倫公司專為IPM等功率器件設計的高速光電隔離接口芯片，瞬間共模比為15 kV／μs，內部集成高靈敏度光傳感器，可以準確、快速反應信號變化狀況，極短的寄生延時合適于IPM，是功率器件接口的完美解決方案。
2．4 電平轉換驅動電路
    由于HCPL-4504需要的的驅動電流為16 mA，而DSP為3．3 V TTL電平標準，其輸出的電流只有nA數量級，因而無法直接驅動。因此，系統需要增設電平轉換驅動電路，如圖2所示。

    選用的芯片SN74ALVC164245是TI公司推出的一款3態輸出電平轉換芯片，提供2×8道的3．3 V轉5 V(反之亦可)的電平轉換接口，最大可輸出24 mA電流，其中A端為5 V電平，B端為3．3 V電平。
2．5 霍爾電流傳感器
    霍爾電流傳感器是利用霍爾效應來測量電流的，不僅能測直流電流，也能測交流電流，測量精度和量程比電流互感器高，受溫度影響很小，且不會產生電流過載?；魻栯娏鱾鞲衅鞯墓臉O低，這是其他互感器無法達到的。系統采用QBC-SY／SYW系列閉環霍爾電流傳感器，該系列電流傳感器的初、次級之間是絕緣的，具有超強抗干擾能力，用于測量直流、交流和脈動電流。交流互感器連接圖如圖3所示。

    該款傳感器集成了調理電路，在最大可測量輸入電流3 A條件下，輸出電壓4 V。由于驅動電機的額定輸入電流為1．12 A，所以其最大輸出電壓可達，但這并不符合TMS320F2812的輸入要求，故還需要另加上一組信號調理電路，將輸出電壓從±1．5 V調理到0～3 V，才能符合DSP內部3．3 V A／D參考電壓的要求。
    信號調理電路需使用RC 4558和TLV431兩種芯片，其中RC 4558為雙路高性能運放；TLV431為低壓可調精密分流穩壓器，用作輸出一個1．5 V的恒定電壓供給信號調理電路使用。信號調理電路工作原理為：當電壓信號輸入時，先利用放大器作一級跟隨處理，然后進行反相，最后進行加法運算。具體電路圖如圖4所示。

2．6 旋轉編碼器
    為了實現矢量控制，就必須對電動機的實際轉速進行測量，因為TMS32F2812本身的事件管理器中有正交編碼脈沖電路，用于連接光電編碼脈沖以獲得旋轉機械的位置和速率，方案中轉速測量就采用旋轉編碼器。
    系統綜合考慮后選擇了ELTRA公司的EL40A1024Z5增量式編碼器作為系統得測速單元。其分辨率達到了1 024脈沖／轉，帶有零脈沖，輸出電平為NPN集電極開路輸出，可直接連接DSP，測量轉速最高可達6 000轉。
    TMS320F2812有兩個事件管理器(EVA、EVB)，每個事件管理器(EV)模塊都有一個正交編碼器脈沖(QEP)電路，它們可以直接與編碼器相連，用來檢測轉速。如果電路被使能，那么可以對從CAP1／QEP1和CAP2／QEP2(EVA)或CAP4／QEP3和CAP5／QEP4(EVB)引腳上輸入的正交編碼脈沖進行解碼和計數。當QEP電路被使能，CAP1／CAP2和CAP4／CAP5引腳上的捕獲功能將被禁止。

3 系統軟件設計
    系統軟件采用模塊化設計，可以分為2個部分；主程序和中斷服務子程序。
    主程序中對硬件和變量進行初始化，對各個控制寄存器置初值，對運算過程中使用的各種變量分配地址并設置相應的初值。初始化模塊僅在DSP上電復位后被執行一次，然后進入循環等待時期，如圖5所示。

    中斷服務子程序是系統的核心部分，包括PWM中斷服務子程序，故障保護中斷服務子程序，串行中斷服務子程序。其中PWM中斷服務子程序負責對電流A／D轉換、速度計算、矢量變換、SVPWM輸出等。故障保護中斷服務子程序在系統出現故障時，將會立即禁止PWM輸出。串行中斷服務子程序則負責DSP與PC上位機之間的通信，如圖6所示。

    初始化之后，系統的運行交由中斷服務子程序控制。PWM中斷服務子程序負責兩相定子電流的采樣，轉速的計算，矢量變換以及SVPWM調制，是系統實現矢量控制的核心部分。系統采用模塊化編程，把PWM中斷服務子程序分為電流采樣模塊，電機轉速計算模塊，矢量控制坐標變換模塊，模糊PI調節模塊，SVPWM調制模塊。

4 結語
      針對交流調速的特點，設計了一套基于DSP的交流異步電機高精度調速系統。該系統應用矢量控制技術作為系統的總體控制方案，以TI公司電機控制專用的高速DSP TMS320F2812為系統的核心處理器，三菱電機公司的PS21246智能功率模塊(IPM)為逆變器件，在此基礎上運用空間電壓矢量脈寬調制(space vector pulse width modulation，SVPWM)技術和PI控制算法，構建了一個基于TMS320F2812 DSP的交流異步電機高精度控制平臺。實驗表明，系統基本滿足高精度調速要求，十分適合于伺服控制系統。