关键词：直接转矩控制 DSP 变频器
Abstract：The paper sets up a kind of fully digital general VVVF system with high performance is developed. In the system, the direct self-control theory is based on, the single chip microcomputer DSP is used as control centre, and puts out software and hardware project. The testing results proves that it has good dynamic and static performance.
Keywords：DSR；DSP；Inverters
0 引言
随着VLSI和控制理论的发展，高速、高集成度、低成本的微控制器及专用芯片相继问世，使全数字化的交流调速系统成为可能。用软件取代模拟器件，可以方便地修改控制策略、修正控制参数，此外还可以具有故障检测、自诊断和上位机管理与通信等功能。正是顺应这一发展方向，许多芯片厂家纷纷致力于数字电机微控制器的研制与生产，如国内较为流行的Motorola MC68HC16系列、Intel MCS96系列以及TI的TMS320X24X系列等。美国TI（德州仪器）公司自82年发明第一片数字信号处理器（DSP），又于97年推出数字电机微控制器TMS320C240。该芯片面向新一代交流电机控制，具有DSP的高速运算能力与面向电机的高效控制能力于一体，堪称业界最具有竞争力的数字电机控制器。本文也是根据这一发展方向，使用最新的变频器芯片和变频控制理论，致力于新型智能变频器的研究。
1直接转矩控制的主要特点
直接转矩控制变频调速技术，德语称之为DSR （Direkte Selbstregelung），英语称之为DSC（Direct Self-control），是近 10年来继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。
直接转矩控制有以下几个主要特点：（1）直接转矩控制直接定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化:既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解祸而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够作出直接和明确的判断。（2）直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大地减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。（3）直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。（4）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两层意思：①直接控制转矩；②对转矩的直接控制。1）直接控制转矩与著名的矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此它并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。2）对转矩的直接控制在接转矩控制技术对转矩，实行直接控制。其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小，由频率调节器来控制.因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简化。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控制和磁链自控制。但以转矩为中心来进行综合控制。
2 实现方案
高的集成度和精简的电路结构是系统可靠的保障。从性能、成本和可靠性等各方面综合论证，系统采用了全数字化设计，采用了最新的芯片。主电路采用三菱公司的智能功率模块ASIPM PS1103X系列中的PS11032，控制电路采用德州仪器公司的’C23x系列DSP控制器的TMS320C240。这使得系统硬件极大的简化，减轻了系统的设计工作。该系统功能框图如图1所示。
2.1 主电路的设计
变频器主要包括主电路和控制电路两部分电路。主电路主要由整流电路、直流中间电路和逆变电路以及有关辅助电路组成。本系统中主电路采用了三菱电机公司最新出品的智能功率模块PS11032。
由于PS11032内含的驱动电路设置了最佳的IGBT驱动条件，驱动电路与IGBT间的距离很短，输出阻抗很低，因此，不需要加反向偏压。其中最为方便的是PS11032可以直接与CPU相连，不需要通过隔离电路。PS11032的驱动电路的输入脚 通过10k的限流电阻和5.1k的上拉电阻，直接连接到CPU的输出脚上。
2.2 控制电路设计
控制电路是变频器电路最重要的部分，控制电路的优劣决定变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是由检测电路得到的各种信号，为变频器主电路提供必要的门级驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。控制电路以TMS320C240DSP为核心，并配置了32k字的程序存储器和8k字的数据存储器。
在系统设计中，C240使用20MHz外部晶振，单周期指令使C240运算能力达20MIPS。C240带有4K字的Flash EEPROM，在外部我们又扩展了32k字的SRAM程序空间和 8k字的 SRAM数据空间。系统程序的编制采用了以功能块为基础的程序组件模块化的方法，这种方法便于按功能自由组合，编写调试都比较方便。主程序在上电开始时对系统进行自检，然后将系统程序从EPROM转移至RAM以利用DSP的快速性，初始化系统参数，其主要负责背景任务，如显示的刷新等，流程图如图2所示。
2.2.1 双A/D转换器与检测电路的连接
TMS320C240配置有两个带采/保的各8路 10位 的A/D转换器，可并行处理模拟量，模拟量可包括：反馈的速度、位置、温度传感、电压传感和电流传感信号等。为了保证定子电流检测的精度和速度，我们采用了科海公司的KT系列霍尔传感器，其输出为0～5V的信号，经过仪表放大器AD623调整后，直接连到TMS320C240本身配置的A/D转换器上。逆变器直流电压经电压传感器采样后，由仪表放大器AD623调整后，也直接连到TMS320C240本身配置的AID转换器上。
速度检测电路采用光电编码器，它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号，其输出信号直接连到TMS32OC240本身配置的正交编码脉冲单元上。两路 A/D转换器各负责两路模拟信号，并预留出接口供系统扩展或升级使用。A/D中断响应子程序轮回采样并将结果读入内存，流程如图3所示。
2.2.2 SPI串口和SCI串口与通信电路
TMS32OC240片内外设还包括一个异步串行通讯口（SCI）和一个同步串行通讯口 （SPI ）。SCI口即通用异步收发器（DART），用于与 PC机串口等标准器件通信，可采用RS一232/485协议等，最大波特率625kbpse SPI口可用于同步数据通信，最大波特率 2. 5Mbps，典型应用包括外部 I/0或外设扩展，如移位寄存器、显示驱动、A/D转换器等.SPI 1-1共有3根通信线：串行输入数据线SPISOMI,串行输出数据线SPISIMO和同步时钟线SPICLK，另1根控制线SPISTE是从机选通线。
在系统中，利用 TMS320C240的 SPI串行接Cl扩展了一个串行 EEPROM芯片X25045, X25045可提供512字竹的EEPORM ｛I]于保存系统设置。同时，使用一片ADM233扩展一个RS232接口，能够与计算机通信，交换数据。
2.2.3 人机界面电路
人机界面电路显示采用了液晶显示器（20字符x2行）。在变频器运行之前显示变频器的设定值：在变频器运行时它是监视器，显示电动机的运行状态，实时显示电动机的基本运行数据，如电动机的电流、电压、变频器的输出频率、转速等；在变频器发生故障时，显示故障的种类、故障时的运行状态等，便于分析故障的原因。
一共有 11个按键，包括功能键和设定键两组。功能键是正转键、复位键、反转键和停止键，用于对变频器发出运转指令。设定键是模式键、编程键、增加键、减少键、左移键、右移键、回车键等。其中模式键用于改变监视模式；编程键用于改变功能模式进入或退出编程状态；增加键和减少键改变设定值大小；左移键和右移键移动光标等；回车键用于进入光标指示项目的设定画面，确定选择等。键盘连接到PI0～PI10扩展信号线上，选通地址为OOOOH。所有的键盘信号线同时也连到一个GAL16V8上，GAL16V8上将所有的信号相与后，输出到 INT3中断管脚。这样任一个按键按下时都产生INT3中断。
3 仿真结果
本文对系统进行了模糊控制仿真，速度给定跳变响应曲线如图4和图5 所示。
4 结束语
由仿真结果可以看出，当给定速度跳变时，系统能够快速响应。转矩和电流波动较小，而且在转速跳变的时候，能够快速达到稳定；静态误差小，具有很好的静态和动态性能。
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作者简介：俞斌（1979-），男，江苏扬州人，讲师，主要研究方向：信息处理和DSP。
