三相异步电机双闭环调速控制系统设计

O 引言
三相交流异步电机以其结构简单，体积小，重量轻，价格低，维修方便等优点，广泛应用于武器装备、给料系统、数控机床、柔性制造技术、各种自动化设备等领域，其转速控制系统性能的优劣直接决定了设备性能的发挥。随着高性能微处理器及新型电力电子器件的出现，使得应用全控型电力电子器件和空间矢量(SVPWM)控制技术进行变频调速的方式已成为交流电机调速控制的主流。
相对于其他微处理器，DSP具有运算速度快，可以自己产生有死区时间的PWM输出，可以实现诸如模糊控制等复杂的算法，外围硬件少等优点，因而广泛用于电机的数字控制。本文以TMS320LF2407A DSP芯片和AT89S52单片机为核心，设计了针对三相交流异步电机的全数字调速控制系统。实验结果表明，该系统具有实时显示，数据存储，动态响应快，控制精度高，抗干扰性强等优点。

1 TMS320LF2407A简介
TMS320LF2407A主要包括算术逻辑运算单元(CALU)、寄存器集、辅助算术逻辑单元(ARAU)、乘法器、乘法移位器、累加器、加法移位器、时钟锁相环电路、两个完全等同的事件管理器A，B(包括通用定时器、比较单元、捕获／正交编码器脉冲电路)、内部A／D转换器、双串口、看门狗、CAN总线电路单元等。
TMS320LF2407A采用先进的哈佛结构，流水线作业，在30 MHz内部时钟频率下，指令周期仅为33 ns。其内部存储器包含2类RAM块。一类为DRAM，另一类为SRAM。对DRAM而言又划分为3个RAM块，即B0，B1，B2，容量依次为256字，256字，32字。这些RAM全部允许在一个指令周期内访问两次，因此在数据处理能力上有显著的增加。同时，B0块还可以通过程序动态地配置为数据存储器区或程序存储器区。若配置为程序区可在上电时把浮点算法子程序或者数据表从外部慢速EPROM装入此区域，从而缓解高速处理器与慢速外设之间的矛盾，这对提高控制系统的动态性能有很大帮助。TMS320LF2407A内部含有内嵌采样保持的10位精度、高速A／D转换器，转换时间最短为500 ns(采样保持+转换时间)。除此之外TMS320LF2407A还有丰富的、功能强大的中断系统以及常用的I／O接口，这些都使设计调速控制系统时的硬件电路得到简化。

2 系统硬件设计
基于TMS320LF2407A三相交流异步电机双闭环调速控制系统硬件框图如图1所示。

系统主电路采用交-直-交电压型变频器，功率器件采用智能功率模块IPM。该模块包含了6个IGBT和6个与IGBT反并联的续流二极管。控制电路部分由AT89S52单片机控制单元、TMS320LF2407A控制器单元、电流检测电路、电压检测电路、转速检测电路、过流保护电路、液晶显示电路和键盘输入接口电路等模块组成。

2．1 AT89S52单片机控制单元
AT89S52控制单元主要完成以下功能：一是通过键盘输入接口完成对给定转速的设定；二是通过液晶显示单元完成对给定转速、电机启动时转速和达到稳态时转速的显示；三是完成对双口RAM中存储数据的读取，并将读取的数据通过USB接口电路导入上位机或通过D／A输出电路输入到模拟设备。其中，液晶显示单元采用中文图形两用型液晶显示模块OCMJ4X8B-2；键盘输入采用矩阵式按键键盘可以通过单片机调用预设的汉字，可以输入数字(用来设置转速)；双口模块用来存储TMS320LF2407A采集的变量波形数据。
2．2 TMS320LF2407A控制单元
TMS320LF2407A控制单元的电路原理图如图2所示。该控制单元电路主要包括光耦隔离电路、转速检测电路、电流检测电路和电压检测电路，分别完成对IPM的驱动、转速检测与控制、过流保护、过压和欠压保护等功能。

光耦隔离电路由6片东芝公司的TLPl27及相应的限流电阻组成，主要完成TMS320LF2407A与IPM智能功率模块的电气隔离，并将输出的PWM信号放大。
转速检测电路采用欧姆龙1024原旋转型线编码器E6B2-CWZ6C，编码器输出的脉冲经过TMS320LF2407A内部4倍频后可以实现每转4 096个脉冲，从而保证了转速的精度。根据采样得到的数据与给定数据比较，调整DSP输出驱动脉冲的宽度，从而调节交流电机的转速。
电流采样电路采用3片霍尔电流传感器CN61M／TBC25C04，一路将检测到的直流母线上瞬时电流值送入过流保护电路，当其值大于过电流值时，相应过流保护电路动作产生保护信号，关断PWM信号的输出；另外两路检测流过电动机的电流，通过变换改变DSP输出的驱动脉冲，进而保持电机的转速不变。在本文设计的控制系统中，TMS320LF2407A采用了ADCIN00，ADCIN01和ADCIN02三路通道，以采集电机A相、B相和直流母线的电流。
直流母线的采样电压通过ADCIN03通道输入DSP，根据采样得到的数据，在电压超过设定的上、下限值时，DSP关断PWM脉冲的输出，从而实现过压和欠压保护功能。