交流异步电动机矢量控制系统的嵌入式设计

2.2 电流信号采集模块

用CSM025A型号的磁平衡式霍尔电流传感器(简称LEM)检测三相输出中的二相电流iA、iB，通过计算得出 第3相电流iC=-(iA+iB)，从而获得实时的输出电流信号，为矢量控制提供实时信号。因为TMS320LF2407A片内集成的模数转换模块ADC的输入必须为0～3.3V，所以应将LEM输出的电流信号通过采样电阻转换为符合要求的电压信号，放大滤波后接ADC口。

2.3 转子位置检测模块

系统采用的增量式光电编码器每转可产生1 024个脉冲。其输出A、B信号线直接接人DSP的编码器接口QEP1和QEP2引脚。DSP的正交编码脉冲电路自动利用每个A、B信号脉冲的4个沿(2个上升沿和2个下降沿)对输入信号4倍频，这样就可以使每转得到4 096个脉冲，提高了分辨率。此外，还对电动机的运动方向进行判别，由一个16位的计数器对脉冲信号计数，并计算出当前时刻的转子位置角度。

2.4 人机接口模块

利用DSP的I／O口及中断方式，管理点阵图形式FYD12864-0402B液晶显示器与4个按键，实现菜单式人机交互。该模块可实现系统的参数设定、检测结果显示以及保护报警信号显示等功能。

3 系统软件设计

μC／OS-Ⅱ是一个内核很小的嵌入式实时操作系统，整个代码可分为内核层和移植层，从而更便于移植。它采用抢占式调度策略，保证任务的实时性；能够管理多达64个任务；提供了邮箱、消息队列、信号量、内存管理、时间管理等系统服务。同时，它又是一个开放源代码的操作系统，使得该系统升级和日后的维护都非常方便。μC／OS-Ⅱ的内核采用标准的C语言代码编写，易于移植到各种微处理器上。

交流异步电动机矢量控制系统中的各种功能可以划分为不同优先级的任务，通过实时操作系统实现对所有任务的调度管理，解决在单任务中难以处理的实时性差的问题，同时又可以增强系统工作的可靠性。

要将μC／OS-Ⅱ应用于该系统，必须先移植到TMS320LF2407A中。移植工作主要有以下几个部分：(1)在OS_CPU.H中定义数据类型和开／关中断函数以屏蔽编译器和处理器；定义堆栈的增长方向；定义任务切换函数。(2)在OS-CPU.C中，用C嵌入汇编语言编写以下函数：OSTaskstkInit( )、OSCtxSw( )、OSStartHighRdy ( )、OSIntCtxSw( )、OSTicksr( )、OSTaskCreateHook( )、OSTaskSw-Hook( )、OSTaskDelHook( )、OSTaskstatHook ( )和OSTimeTickHook()。任务的全部信息都保存在相对应的任务控制块和堆栈中，因此任务的切换要处理任务控制块和堆栈。涉及任务控制块的工作是：(2)保存被切换任务的堆栈指针到当前任务控制块；(2)将当前任务控制块指向最高任务控制块；(3)取出当前任务块存储的堆栈地址。

根据系统所要实现的功能，可将整个系统划分为以下几个并行存在的任务：信号采集、电动运行、再生制动、状态显示。另外还设计了2个中断子程序，用于实现4个按键的输入及智能功率模块IPM对短路、过流、过压、欠流、欠压等情况的保护功能。每个任务都分配了优先级和内存空间。任务越重要，赋予的优先级应越高，数值越小表示优先级越高。再生制动任务优先级设为最高，因为该任务实时性最高，若不能及时启动或过早结束均会对系统造成损害；信号采集任务运行最频繁，为其他任务提供可靠必需的参数，故设其优先级为次高；显示任务实现菜单和控制参数的显示，人机交互，对控制器性能没有直接影响，优先级设为最低；电动运行任务是常规状态，优先级设为次低。该系统采用静态优先权，即运行过程中任务优先权不变。各任务之间的通信通过信号量进行，故应使OS_SEM_EN=1。

在该嵌入式实时操作系统下编写的DSP软件流程非常简单易读，其具体流程图如图3所示。


电动运行任务是系统中最主要的任务，它接收邮箱或消息队列传递过来的消息，实现控制算法的在线调节，控制电机的加减速及匀速运行。其程序流程如图4所示。


4 试验结果

系统的试验对象是一台鼠笼式交流异步电动机，具体参数为：额定功率0.6kW、额定电流2.75A、额定电压220V、额定转速1400r／min。分负载与空载两种情况做试验，设定频率为50Hz，用数字示波器测量异步电机定子的相电流，测量得到的相电流波形如图5、图6所示。设定频率为40Hz时，对从空载到负载的转速和相电流进行观察，波形如图7所示。


从示波器存储截图中可以看出，在空载与负载的情况下，调速范围宽、静差率小，其性能优于一般的直流调速系统；相电流几乎接近正弦波，实现了恒转矩控制。当电动机的负载转矩突然增加时，电动机的相电流和转速响应很快，稳态误差接近4％。由此可见系统具有优良的动静态性能。

该系统给出了交流异步电动机矢量控制技术基于DSP的嵌入式实时解决方案。试验结果证明了交流调速系统在运用了矢量控制技术后，具有动静态性能好、抗干扰能力强、保护功能完善等特点。此外，将嵌入式实时操作系统移植到控制器中，增强了系统的实时性及可靠性。