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1、基于TMS320LF2407A的转子磁场定向矢量控制系统设计基于TMS320LF2407A的转子磁场定向矢量控制系统设计wangj导语：以TMS320LF2407ADSP为核心，实现了异步电机的高性能、全数字化转子磁场定向矢量控制以TMS320LF2407ADSP为核心，实现了异步电机的高性能、全数字化转子磁场定向矢量控制，并就该系统的实现方法和设计中存在的主要难点进展了较为详细的分析。转子磁场定向矢量控制技术是一种比拟实用的异步电机高性能控制技术，它具有转矩与磁链控制完全解耦的优点，然而，要求坐标变换的难点使其在以前难以应用。随着电力电子技术和计算机技术的开展，这一技术变得越来越容易实现，而
2、且成为目前高性能异步电机传动系统的首选。近几年度，随着DSP芯片技术的飞速开展，DSP的速度越来越快，其外围也更为丰富，使得较为复杂的异步电机控制系统逐渐采用DSP控制器作为系统的微处理器。本文以TI公司的TMS320LF2407ADSP为核心，实现了异步电机的高性能、全数字化转子磁场定向矢量控制，并就该系统的实现方法和设计中存在的一些问题进展了分析。2TMS320LF2407A简介TI公司推出的TMS320LF2407A，是目前比拟成熟、性价比相当高的一款电机控制专用DSP，其主要特点有：1高达40MIPS的指令执行速度，进步了它的实时控制才能；2片上32K字的Flash存储器，544字的D
3、ARAM，2K字的SARAM，知足一般应用要求，根本上无需外扩存储器；3两个事件管理器模块EVA和EVB，具有4个定时器，16个PWM通道其中12个可插入可编程死区，两套独立的正交脉冲输入和6路捕获输出，该特点让这个控制器可以实现多台电机的同步控制；4存储器可外部扩展，便于编制更为复杂的软件或者存储大量的数据；5内置看门狗和锁相环，无需高达40MHz的晶振；610位16通道的高速最小转换时间为375nsA/D转换器；7自带CAN控制器、SCI接口和SPI接口模块；841个可编程的复用I/O引脚，知足电机控制的大量I/O要求。从上述TMS320LF2407A的特点可以看出，采用该款DSP作为高性
4、能异步电机矢量控制系统的CPU时，能大大简化系统的硬件设计，同时保证了系统的高速实时性能和低本钱。3转子磁场定向矢量控制系统转子磁场定向矢量控制系统的根本构造如图1所示，给定转速nref与反应转速n比拟后得转速误差en，经过PI调节器产生转矩电流给定isq，并与实际的转矩电流isq比拟经过PI调节器产生vsqref;另一方面，给定转速nref通过特定的磁链曲线产生磁链给定，与电机实际磁链比拟后经过PI调节器产生vsdref,对vsqref与vsdref补偿耦合项并经过PARK逆变换后得到SVPWM所需的vsref和vsref，SVPWM模块产生死区可改变的6路PWM来驱动功率管。系统中为了实现
5、电流内环控制，两路电流ia、ib对于三相笼型异步电机，可以只检测2路电流被检测，经CLARKE和PARK变换后得到同步旋转坐标系下实际的定子电流分量isd、isq，其中励磁电流分量isd经过一个与电机参数有关的一阶滤波器后得到转子磁链。同时根据转子磁链给定与定子电流转矩分量给定获得的转差sl与反应的转速n相加获得同步转速e，对其积分后得转子磁场定向角，用到坐标变换和电压耦合补偿项中。整个系统的工作原理相当明晰，构造也比拟简单，是其得到了广泛应用的重要原因。4基于TMS320LF2407ADSP上的系统实现图1转子磁场定向矢量系统控制构造图尽管图1所示的矢量控制系统构造比拟简单，但在没有高性能M
6、CU或者DSP以前，要实现起来也极为不容易，主要原因还是在于坐标变换。随着高性能DSP控制器的诞生，整个矢量控制系统的全数字化实现变得现实可行起来。下面根据TMS320L-F2407A的特点，对图1所示的转子磁场定向矢量控制系统的全数字化实现进展阐述。在图1所示的转子磁场定向矢量控制系统构造图中，除了以下3个局部需要其他电路辅助外，其他都可以通过对DSP进展软件编程实现。16路PWM输出到功率管时，需要添加外部驱动和光电隔离电路；2电流采样需要电流传感器和信号调理电路；3转速反应需要光电码盘、噪声滤波处理和光电隔离电路。系统中，SVPWM通过TMS320LF2407ADSP的事件管理器中的SV
7、PWM硬件模块产生，简化了软件编程，PWM死区可用DSP中可编程的死区发生器产生；模拟电流、可用DSP自带的A/D模块进展模数转换；磁链曲线可用多项式拟合的方法编程实现；PARK和反PARK变换可用查表的方法实现；其他各涉及到微分和积分的环节都可以经过某种离散化方法后通过软件编程实现。系统的核心控制局部的软件流程如图2所示。图2系统软件控制流程表1系统数字化实现时主要变量数据格式在系统数字化实现中存在几点需十分强调一下：1是用标么值还是采用实际值的形式。由于TMS320LF2407A是运算精度为32位的定点DSP，故采用标么值格式更为适宜，而且可针对不同的异步电机方便地修改参数；2数据格式选择
8、。针对不同类型的参数和变量，需要根据实际情况进展选择，例如系统的电压、电流变量均采用4.12格式，表示的范围为-8.00000+7.99976，与详细的电流值无关。系统中主要变量的数据格式如表1所示。3用给定的转子磁链和定子电流力矩分量计算转差角速度，这种做法可以保证反应电流噪声较大时系统仍然稳定，另外，由于采用标么值形式，因此n和sl可以直接相加。5实验结果图3nref=600r/min时的转速和电流波形Kpn=2.0，Kin=0.25，Kpt=1.0，Kii=0.125图4nref=0.1r/min时的转速和电流波形Kpn=5.0，Kin=1.5，Kpt=2.5，Kii=1.0基于TMS3
9、20LF2407ADSP的全数字化转子磁场定向矢量控制系统的高性能在一个3KW笼型异步电机上的控制实验得到了表达电机参数见附录。在转速给定分别为600r/min和0.1r/min时系统的转速和电流波形如图3和图4所示，图3的转速和电流波形时间是一致的，转速和电流调节器参数分别为；图4的调节器参数为。图3讲明了系统具有很快的响应速度，在进入稳态之后，电流均根本为直流，但由于与同步转速相关的电压耦合项解耦不彻底，因此还存在少许波动。图4讲明了在转速较低时，为了获得较好的控制效果，调节器参数要相应地加大，另外，由于电流反应噪声、计算精度和积分项的影响，使得电流存在波动，此时因同步转速很小，所以电流之
10、间受电压耦合项的影响很小，稳态时波动非常小。在2.3s左右受到一个反向力矩后转速陡降2.0r/min，之后由于积分影响出现超调，最后稳定到00.2r/min之间，从中可以看出0.1r/min的低速给定时，系统性能良好。本文阐述了转子磁场定向矢量控制系统基于TMS320LF2407ADSP的数字化实现方法，分析了系统数字化实现中值得注意的几个问题，并给出详细一个异步电机控制实例的实验结果，证明了基于TMS320LF2407A的全数字化转子磁场定向矢量控制系统可以获得高性能的控制效果。7附录实验中所用异步电机参数额定功率：3KW额定相电压：220V额定频率：50Hz额定转速：1430r/min额定电流：6.6A极对数：2定子电阻：1.798转子电阻：1.781定子电感：0.212H转子电感：0.2175H互感：0.2066H转动惯量：0.055kg/m2