摘要：直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）是一種新穎的異步電動機(jī)調(diào)速方案，它是在定子坐標(biāo)系下，通過檢測定子電壓、電流等變量，直接計(jì)算和控制電動機(jī)的磁鏈與轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。DSP具有運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)和實(shí)時性好等特點(diǎn)，這使得很多復(fù)雜的控制策略和控制算法得以容易地實(shí)現(xiàn)。本文介紹直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理、高性能TMS320F2812數(shù)字信號處理器的體系結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)、TMS320F2812在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 引言

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論的高速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)得到了長足的發(fā)展，在高性能的交流調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）兩種控制思想。其中DTC技術(shù)摒棄了VC中的需要解耦的控制思想，它具有簡單的控制結(jié)構(gòu)、良好的動靜態(tài)性能和快速的響應(yīng)速度等特點(diǎn)，它一誕生就得到了廣泛關(guān)注，目前已成為研究的熱點(diǎn)問題。本文將介紹基于TMS320F2812 DSP芯片的交流感應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制原理結(jié)構(gòu)

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基本原理圖如圖1所示。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理圖
在圖1中，逆變器有三個橋臂，每個橋臂上存在互鎖的兩個開關(guān)Si、（i＝1，2，3），通過控制Si的開關(guān)狀態(tài)如圖1（a）所示，可以得到8個電壓空間矢量Us（加到電動機(jī)定子繞組上），其中6個為工作電壓空間矢量，它們等幅且兩兩相隔60°，連接這6個電壓空間矢量的頂點(diǎn)可構(gòu)成一個正六邊形，另外的兩個為零矢量，位于六邊形的中心，如圖1（b）所示。通過正確的開關(guān)的通斷，可順序形成不斷旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量，從而在異步電動機(jī)氣隙形成旋轉(zhuǎn)的磁鏈，而通過零矢量的恰當(dāng)選擇可以控制磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度。定子磁鏈Ψμ、轉(zhuǎn)子磁鏈Ψγ以及轉(zhuǎn)矩之間Td存在關(guān)系:，θ為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即磁通角，Lσ為轉(zhuǎn)子漏感。在實(shí)際的運(yùn)行中，為充分利用電動機(jī)鐵心，保持定子磁鏈幅值為額定值，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載的大小決定，要改變電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變磁通角θ的大小來實(shí)現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量Us來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)，控制定子磁鏈的走走停停，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變磁通角θ的大小，以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的[1]。

3 高性能DSP TMS320F2812芯片

在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，DSP芯片是控制器的核心，所有復(fù)雜的控制算法和控制策略都通過它來實(shí)現(xiàn)。TMS320F2812是Texas公司C28TM系列中最新成員，其高速的運(yùn)算能力、強(qiáng)大的實(shí)時處理能力和高度集成化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得它在控制領(lǐng)域內(nèi)得到了人們的青睞。下面介紹TMS320F2812主要特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)框圖[2]如圖2所示。

圖2 TMS320F2812功能圖
TMS320F2812的CPU是基于C28xTM的32位定點(diǎn)內(nèi)核，主頻達(dá)150MHz。TMS320F2812芯片具有高度集成的結(jié)構(gòu)，在片內(nèi)集成大量的外設(shè)（如圖2所示），這些外設(shè)包括:事件管理器EVA/EVB、16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、看門狗定時器Watchdog、通用輸入輸出引腳GPIO、多通道緩沖串行外設(shè)McBSP、改進(jìn)CAN總線接口、雙通道串行通信接口SCIA/SCIB、串行外設(shè)接口SPI等。與C28xTM DSP以前的芯片相比，TMS320F2812有自己的特點(diǎn):

（1） 它是C2000系列中第一代32位的定點(diǎn)DSP芯片（C24xTM為16位DSP芯片）;
（2） 芯片內(nèi)部有3個32位定時器;
（3） 具有12位的ADC（以前的為10位）和雙通道SCIA/SCIB;
（4） 有多通道緩沖串行外設(shè)McBSP;
（5） 采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和八級流水線作業(yè);
（6） 存儲空間大大擴(kuò)展，其片內(nèi)存儲器資源包括:128K字×16位的Flash存儲器、128K字×16位的ROM、1K字×16位的OPT ROM、一塊1K字×16的SARAM、L0和L1上各有8K字×16位的SARAM、M0和M1上各8K字×16的SARAM;
（7） 可以執(zhí)行32×32位的二進(jìn)制補(bǔ)碼乘法操作，并產(chǎn)生64位的結(jié)果;
（8） 它是C2000系列性能最高的芯片，處理速度達(dá)150MIPS，實(shí)時處理能力強(qiáng)，能應(yīng)用于很多復(fù)雜的控制算法如無速度傳感器的定向控制、運(yùn)動輪廓的識別和功率因數(shù)的校正等，并且其代碼與以前各個型號的DSP兼容，它也是目前處理C/C++代碼效率最高的DSP芯片（就C2000系列而言）。由于這些特點(diǎn)，TMS320F2812DSP有著廣泛的應(yīng)用空間。

4 基于TMS320F2812的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

由于DSP的優(yōu)越性能，它可被用于數(shù)字化控制中，現(xiàn)介紹一個基于TMS320F2812 DSP 的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其方框圖[3]如圖3所示。

圖3 基于DSP的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖
4.1 系統(tǒng)組成及其控制原理

系統(tǒng)主要由交流電源、整流濾波電路、逆變模塊IPM、交流異步電動機(jī)M、TMS320F2812DSP芯片、電壓電流檢測電路、PWM脈沖及光耦電路、光電編碼器、鍵盤顯示及上位機(jī)組成。

DSP接收到PC上位機(jī)發(fā)出的輸入信號后，將其轉(zhuǎn)換為PWM輸出，經(jīng)過PWM脈沖電路驅(qū)動放大后送給逆變器，逆變器的輸出信號接到三相異步電機(jī)的定子繞組。從DSP輸出的PWM脈沖可以控制逆變IPM模塊電路的開關(guān)狀態(tài)，而逆變器開關(guān)狀態(tài)的改變，可在電機(jī)定子上形成旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量。通過工作電壓空間矢量和零矢量的交替選擇，可以控制定子磁鏈的走走停停，這樣磁通角（定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角）的大小也相應(yīng)地隨之改變，從而達(dá)到直接控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。光電編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)角，其輸出信號反饋回DSP的正交編碼脈沖電路（QEP），形成閉環(huán)控制，實(shí)時有效地控制電動機(jī)。

4.2 系統(tǒng)核心—TMS320F2812 DSP控制器

整個系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，所有復(fù)雜的控制算法及控制策略都是通過TMS320F2812控制器來實(shí)現(xiàn)的。從圖3知，該系統(tǒng)涉及到DSP的大部分集成外設(shè)，如:事件管理器EV、串行通訊接口SCI、串行外設(shè)接口SPI、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、PWM發(fā)生模塊以及JTAG仿真接口等。下面簡單介紹各模塊的功能。

（1） 事件管理器EV

它是一個專門為控制系統(tǒng)（運(yùn)動控制和電機(jī)控制）設(shè)計(jì)的模塊，包括通用定時器（GP）、全比較單元、捕獲單元和正交編碼脈沖電路（QEP）等四個基本單元。在該系統(tǒng)中，利用正交編碼脈沖電路（QEP）對引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（EVB）上的正交編碼脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)，直接處理光電編碼盤的正交編碼脈沖，通過檢測2路信號的相位關(guān)系可以判斷電機(jī)的位置和速度信息。此外，事件管理器內(nèi)部有PWM發(fā)生電路，可產(chǎn)生PWM波形，用于控制逆變器開關(guān)的通斷時間。