关键词：数字化控制; 电机控制
1 引言
控制系统是交流传动系统的核心，决定了交流传动系统的各项主要性能和指标。随着各种微处理器的发展和成熟，如何将数字化的控制技术应用到交流传动系统中去，是研究者非常感兴趣的课题，特别是高速数字信号处理器（DSP）在交流传动系统中的应用，将会大大改善交流传动控制系统的性能，所以引起了人们的广泛注视。
本文提出了一种应用于高性能交流传动系统的双DSP数字化控制电路系统方案，由具有可编程IO端口、脉宽调制（PWM）发生器、脉冲捕获单元等片内集成外设的16位高速定点DSP芯片TMS320F243，以及通用的32位高速浮点DSP芯片TMS320C32为主组成。其中TMS320F243用于电压电流信号采集和模数转换、过流过压保护和输出PWM信号驱动交流传动系统的功率逆变器。而TMS320C32负责速度信号采集计算和控制算法的计算。在适当的软硬件协调下，DSP芯片通过双端口RAM完成公用数据交换，并使双DSP处于并行的工作状态。
2 数字化控制的交流传动系统总体构成
采用双DSP控制的交流传动系统由功率变换装置、双DSP控制系统、感应电机组成。其中DSP全数字控制电路由两个DSP为核心构成双DSP控制系统，用以完成数据采集（包括直流输入电压、交流输出电压电流、电机转速等），数据处理（电机电流基波分析计算、电磁转矩和磁通的估计等），系统保护（直流母线过压过流保护、缺相保护、过热保护等）控制功能。功率变换装置由两点式三相逆变器及IGBT驱动电路组成，根据控制系统送来的PWM信号产生正确的输出电压供给负载的三相感应电机。
3 双DSP控制系统硬件结构
采用数字控制的传动系统，一方面要对电机的电磁转矩和磁通进行分析计算;另一方面，还需要有一个完整的控制功能和逻辑处理接口功能，以完成控制上的要求。整个双DSP控制系统的结构示意图如图1。
图1 双DSP控制系统的结构示意图
控制系统的双DSP芯片分别采用浮点芯片TMS320C32和定点芯片TMS320F243。对TMS320C32来讲，其运算能力很强，但片内资源和I/O端口较少，逻辑处理能力也较弱，主要用于浮点计算和数据处理（浮点运算可以大大提高精度和动态范围）;而F243正好相反，其片内外设资源丰富，I/O端口使用方便，但其运算精度和速度有一定限制，所以用于数据采集和过程控制。两个DSP芯片通过双端口RAM完成数据交换。这两个DSP芯片的互补可充分发挥各自的优点，使控制系统达到最佳组合。
3.1 TMS320F243子系统
TMS320F243子系统主要功能有：PWM控制信号输出、电压电流采集、中间变量的DA输出、键盘显示。
TMS320F243具有每秒2千万条指令的处理运算速度，并具有丰富的I/O端口、片内集成外围设备以及专用的PWM发生器。F243 控制器内部有三个全比较单元，专为桥式电路PWM设计，一对输出引脚对应一组桥臂，当上桥臂开启时下桥臂关闭，反之亦然。在全比较单元内嵌了非对称/对称波形发生器、死区产生电路、空间矢量状态机等功能，与F243内部的16位定时器配合可以方便的实现各种PWM输出功能。F243片内集成的同步串行接口SPI，结合MAXIM公司的专门用于SPI接口的LED数码管驱动芯片MAX7219，只用三根信号线，即可构成一个简单可靠的显示电路。选择MAX7219的BCD译码方式，CPU以字节为单位与MAX7219进行同步串行通信，使CPU的干预最小，减少CPU的占用率。系统选用异步并入/串出芯片CD4021扩展了八个功能键，与F243的接口也只用三根信号线。当有键按下时即向F243申请外部中断，F243响应中断，依次将各个键的状态串行读入，判断键码并转相应的服务程序。
高性能的电机控制系统通过实时采集三相输出电压电流和电机转速来计算出电机的磁通和电磁转矩，为了提高控制精度，检测的精度要求很高，而且最好是同步检测各相电压和电流。本系统选用了一片AD7864对两相电压电流同时采样。AD7864是高速、低功耗、单电源、四路同步采样、12位的模/数转换芯片。具有一个1.65μs的逐次逼近式A/D转换器，四路跟踪/保持放大器，2.5V参考电平，片内时钟，信号调整电路及一个高速的并行总线接口。AD7864可对四个通道的模拟输入信号同步采样，并将四个通道之间的相对相位和大小信息保存下来，这使得它特别适合于交流电机控制、三相电网电压检测等场合。
由于数字控制算法均由控制软件完成，并且高性能的电机控制方案都有复杂的中间变量，它们无法用示波器直接观测。为便于系统的调试、监控和验证，选用DA芯片AD7836将中间变量转换为模拟信号输出。AD7836是ANALOG DEVICES公司生产的14位数据并行输入，4路模拟输出的D/A转换器。其建立时间为16μs，采用双电源±15V供电，参考电压范围为-5V～+5V，输出电压范围-10V～+10V。
3.2 TMS320C32子系统
TMS320C32子系统主要功能有：电机速度的检测、电机磁通和转矩的状态估计、逆变器输出指令电压的计算。
该子系统主要由DSP芯片TMS320C32、两片16位FLASH 芯片AT49F1025、两片16位高速SRAM芯片ISSI61C6416和电机转速测量电路组成。
TMS320C32是高性能的32位浮点DSP，其单周期指令执行时间为50ns，一个32位浮点乘法50ns即可完成。浮点运算与定点运算比较起来，具有更高的精度，并且不用考虑运算的溢出问题，具有更好的运算性能。
FALSH用于存放程序和初始化的数据，SRAM用于存放实时运行的程序和数据。TMS320C32复位后，由内部固化的自引导（BOOT）程序将存于FLASH的程序和数据移至高速SRAM，然后在SRAM中运行。
传动系统中的电机速度检测精度对整个系统的控制精度非常关键，由于电力机车转速范围宽和光电编码盘每转孔数的不定，一般转速测量软硬件方案的选择和实时切换的方案都不尽相同。在本系统中，利用TMS320C32外部中断的边沿触发方式和内部32位定时器的优点，可以以单一的测周期方式在可能的电机运行范围内高精度的测量转速。
3.3 双DSP数据交换子系统
双DSP数据交换子系统由双口RAM实现，选用IDT公司的8K×16位高速CMOS静态双口RAM——IDT7025。IDT7025除了通用双口RAM的功能外，还内置了中断逻辑，可以更高效的完成双DSP通信功能。比如当F243向双口RAM传输完采集到的数据后，接着向双口RAM内的特定地址单元随机写数据，则IDT7025和C32连接的中断输出管脚产生跳变信号，引起C32中断，C32在读取数据后，可以通过读双口RAM的特定地址单元将该中断信号复位。反之亦然。双口RAM及其中断功能使得双DSP间迅速、方便的交换数据，增强了双微机系统的并行处理能力。
4 结论
与其他电路结构相比，采用双DSP数字化控制的传动系统具有控制精度高、体积小、功能强、稳定性好等优点，并且调试方便，系统控制方案设置灵活，可以迅速修改控制方法和算法，大大减少了系统调试的工作量。。
参考文献
[1] 卓放，王跃，何益宏，李红雨，王兆安. 采用双DSP控制技术实现的三相四线制有源电力滤波器. 第七界中国电力电子与传动控制学术会议CPED’2001文集.
[2] 李威. 感应电机矢量控制系统研究. 北方交通大学博士学位论文. 2000
