摘要：針對某型直流電機調速系統的要求，采用TMS320LF2407A和AT89C51設計一種雙核直流電機閉環調速控制系統。TMS320LF2407A采集和調節電機轉速信號，AT89C51輸入給定轉速并顯示電機轉速。給出系統硬件原理框圖和程序流程。試驗結果表明該控制系統具有動態響應快、控制精度高、實時顯示、數據存儲等優點。
關鍵詞：TMS320LF2407A；AT89C51；閉環調速；實時顯示；數據存儲

    直流電動機以其良好的線性調速特性、簡單的控制性能、高質高效平滑運轉特性，一直在速度和位置控制方面處于主導地位，尤其是調速性能其他電動機無法比擬的。目前采用全控型電力電子器件進行脈寬調制(PWM)控制方式已成為直流電動機數字控制的基礎。由于DSP具有運算速度高，死區時間的PWM輸出，實現諸如模糊控制等復雜算法，外圍硬件少等優點，因此廣泛用于電機數字控制。這里采用MS320LF2407A型DSP和AT89C5l單片機為核心設計一種針對直流電機的全數字調速控制系統。

1 TMS320LF2407A簡介
    圖1為TMS320LF2407A內部基本結構框圖，該器件采用先進的哈佛結構，流水線作業，在30 MHz的內部時鐘頻率下，指令周期僅33 ns。由于其內部具有硬件乘法器，一個周期內即可完成16x16的算法，僅需33 ns。該器件內部具有時鐘鎖相環電路，可通過軟件編程設置內部所需高頻。

    TMS320LF2407A內部存儲器中包含DRAM和SRAM兩大類。其中，DRAM分為3個RAM塊B0、Bl、B2，容量依次為256字、256字、32字。這些RAM都允許在1個指令周期內訪問2次，因此數據處理能力顯著增加。同時，B0塊還可通過程序配置為數據存儲器或程序存儲器區。若配置為程序存儲器區則可在上電時將浮點算法子程序或數據表由外部慢速EPROM裝入該空間區，以緩解高速處理器與慢速外設間的矛盾，從而提高控制系統的動態性。TMS320LF2407A內置采樣保持的10位精度、高速MD轉換器，轉換時間最短為500 ns。此外TMS320LF2407A還具有豐富的、功能強大的中斷系統以及常用的I／O接口，這些特性大大簡化了調速控制系統時硬件電路設計。

2 系統硬件設計
    圖2為基于TMS320LF2407A直流電機閉環調速控制系統硬件框圖。系統主電路采用交／直，交電壓型變換器，功率器件采用智能功率模塊IPM，該模塊包含由4個：IGBT以及4個與IGBT反并聯的續流二極管。控制電路部分由AT89C5l控制單元、TMS320LF2407A控制器、電流檢測、轉速檢測、過壓保護、欠壓保護、過流保護、液晶顯示和鍵盤輸入接口等電路組成。

2．1 AT89C51控制單元
    AT89C51控制單元主要完成：1)通過鍵盤輸入接口設置給定轉速：2)液晶顯示用于顯示給定轉速、電機啟動轉速和達到穩態轉速；3)完成對雙口RAM中存儲數據的讀取，并將讀取的數據通過USB接口電路導入上位機或通過D／A轉換電路輸入到模擬設備。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，并通過單片機調用預設漢字，還可輸入數字(用于設置轉速)；雙口模塊用于存儲TMS320LF2407A采集的變量波形數據。
2．2 TMS320LF2407A控制單元
    圖3為TMS320LF2407A控制單元電路，主要包括光耦隔離、轉速檢測、電流檢測和電壓檢測等電路。可實現過壓保護、欠壓保護、過流保護、轉速控制等功能。其中，光耦隔離電路是由4片東芝公司的TLPl27及相應的限流電阻組成，實現TMS320LF2407A與IPM智能功率模塊的電氣隔離，并放大PWM信號。轉速檢測電路采用歐姆龍1024原旋轉型線編碼器E682-CWZ6C，編碼器輸出的脈沖經TMS320LF2407A內部4倍頻后產生每轉4 096個脈沖，保證轉速精度。將采樣得到的數據與給定數據相比較，調整DSP輸出驅動脈沖的寬度，調節電機電壓，進而調節電機轉速。電流采樣電路采用2片霍爾電流傳感器CN61M／TBC25C04；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，當其值大于過電流值
時，相應過流保護電路動作產生保護信號，關斷PWM信號輸出：另一路檢測流過電動機的電流，使電動機在調速的過程中保持該電流不變，從而保持輸出轉矩不變。該系統設計TMS320LF2407A采用ADCIN00和ADCIN012通道采集電流信號。直流母線的采樣電壓通過ADCIN02通道輸入DSP，根據采樣得到的數據，當電壓超過設定的上下限時，DSP關斷PWM脈沖的輸出，從而實現過壓和欠壓保護功能。

3 系統軟件設計
    該直流電機閉環調速控制系統的原理框圖如圖4所示。其中，給定速度由鍵盤輸入接口電路輸入AT89C5l單片機控制系統，速度PI調節、電流PI調節和轉速反饋量的計算由TMS320LF2407A編程實現。測得的電機轉速通過AT89C51控制系統輸出到液晶顯示單元上實時顯示。

    AT89C5l系統設定電機給定轉速和顯示實際轉速，其程序流程如圖5(a)所示。上電后，首先從P1口讀出由鍵盤輸入的給定轉速，并將該轉速存儲TMS320LF2407A的雙口RAM中，同時，給定轉速通過單片機P0口輸出到液晶顯示單元的驅動控制器SEDl520，由SEDl520驅動OCMJ4X8B-2顯示轉速，顯示范圍為0．9～999 r／min。當TFMS320LF2407A工作后，ATF89C51先判斷有無鍵盤輸入(即給定轉速是否變化)；若變化，則將新的給定轉速寫入雙口RAM并顯示。否則，從雙口RAM讀出電機實際轉速并顯示。TMS320LF2407A上電后運行的主程序流程如圖5(b)所示。首先完成初始狀態的設定(包括對相關變量采樣、數據存儲等)，然后讀出給定轉速，并判斷實際轉速是否達到給定轉速；若達到，則一直循環運行；若未達到，則進入中斷處理子程序，調節電機轉速，直到與給定轉速相等為止。轉速調節中斷子程序流程如圖5(c)所示。進入子程序后首先讀出電流檢測量，與給定電流進行比較，并對電流進行PI調節。然后讀出實際轉速并將該轉速存儲在雙口RAM，判斷該電流是否與給定轉速相等，若相等則不進行速度PI調節，否則相反，進而改變PWM脈寬，退出中斷子程序。

4 試驗結果
    采集空載啟動時的電機轉速反饋變量和定子電流變量，通過USB接口電路傳輸至上位機：在上位機上繪出波形如圖6所示。從圖中看出，電機在約20 s內達到設定的轉速值l 000 r／min。在啟動過程中，定子電流由于PWM控制，產生一定的波動，當轉速達到設定值后，定子電流也很快趨于穩定。

    當電機運行時，改變其運行速度(以加速為例，轉速從100 r／min增加到l 000 r／min)，采集給定轉速和反饋轉速變量，傳輸至上位機后繪出的轉速反饋波形和給定波形如圖7所示。由圖7看出，4 s后實際轉速達到給定轉速值，達到1000r／min時，轉速波動只有9r／min，控制精度很高，達到設計要求。

5 結束語
    采用以TFMS320LF2407A為PWM控制的核心，以AT89C5l控制單元為電機轉速控制管理核心的直流電機閉環調速控制系統具有數據存儲、實時顯示等功能，試驗結果表明該控制系統具有動態響應快，控制精度高等優點。