DTC系统软硬件结构及设计.doc

第五章 DTC调速系统软硬件结构及设计 5.1全数字直接转矩控制调速系统结构 直接转矩控制调速系统由主回路和控制回路构成。众所周知，IGBT脉宽调制电压型逆变器以其结构简单、体积小、重量轻等诸多优点在高性能交流传动领域得到了广泛的应用，本系统采用了它作为主电路来完成功率放大作用。另外，在直接转矩控制方案中，转矩控制的数字化是关键，其响应的快速性在控制上对微处理器的速度和功能提出了很高的要求。美国TI公司1997年推出的16位数字信号处理器TMS320F240芯片，具有相当快的数字运算能力和丰富的输入输出设备及接口电路，因而本系统选用它作为核心控制器件来组成控制回路，整个系统结构框图如图5-1所示。 主 回 路 上位微机 RS232接口 TMS320 F240器件 PWM信号驱动电 路 A/D转换 转速测量 IM Ia，Ib母线电压Ud信号放大，滤波图5-1 系统整体结构图5.2 硬件电路设计5.2.1 驱动电路设计 本系统IGBT的驱动采用日本富士通公司生产的专用混合IC模块EXB840，它与IGBT的连接如图5-2所示。EXB840属于高速系列，驱动电路信号延时最大不超过1.5us，有利于减小互锁延时的设置，也可减小保护电路动作的延时时间。它内部设有信号隔离、过流检测、低速过流切断和栅关断电压等功能。在实际应用中，应注意以下几点：1.驱动模块应尽可能地靠近它自己的功率模块，以缩短栅射级回路的接线。2.在驱动模块所在的驱动板上布线时，应考虑到各模块和同一模块各管脚之间存在强电联系，并保持一定的距离。3.由于是高频操作，驱动电阻RG的选取较推荐值也稍大。 6 15 2 EXB840 3 1 14 9 5快恢二极管RGIGBT10mA驱动信号20V隔离电源过流保护输出 0V图5-2 EXB840与IGBT的接线图 5.2.2 控制电路设计 1. 控制电路构成及工作原理 在第四章第二节所介绍的开发机装置硬件组成的基础上，F240芯片通过外接EPROM、RAM、晶体振荡器和地址译码电路及必要的外围接口电路，即可方便地构成直接转矩调速系统的控制电路。在程序调试时，程序存储器（EPROM或EEPROM芯片）用来存放监控程序，而真正的直接转矩控制程序（机器码）则通过上位机由串口传送到RAM中。GAL芯片完成地址译码，MAX233芯片用于实现TTL电平和CMOS电平之间的转换。 控制电路的工作原理如下：通过检测两相电流Ia，Ib及电机转子转速n，由2.3给出的公式确定磁链调节器和转矩调节器的输出，然后查开关模式表实时发出6路PWM脉冲，此脉冲经驱动电路控制相应功率管的开通与关断，从而达到调速的目的。 2. 速度信号的检测传动系统往往要求有高精度的速度检测元件。光电脉冲编码器是一种能直接把角位移转换成数字信号的检测元件，在数字式控制系统中应用十分广泛26。光电脉冲编码器一般分增量式和绝对式两种，本系统采用增量式光电编码器作为速度检测器件。它输出两个相位相差90的方波脉冲信号PA，PB及其非信号PA*，PB*和一个零脉冲PZ信号，其中PZ脉冲每转只出现一次，用于调整电气和机械的零位，在本调速系统中没有用到。其它各信号每转发出2500个脉冲，为了提高分辨率，常常需对这些信号进行倍频处理。本系统对速度信号的处理电路如图5-3所示。D+5V_K 5 4 3 2 11 2 3 4 5 PA4P+D+5V_E1A VDD1B 1Y2A 7 2Y2B 5 3Y3A 1 4Y3B 7 E+4A 5 E-4B VSS 4PPBPA*DGND_KPZPZ* PB*DGND_E 图5-3 速度检测电路原理图图中，信号的接收采用75175差动接收器，然后用光电耦合器PC900对接收信号与控制电路进行隔离；由于F240的正交编码脉冲单元（QEP）能够将差动信号四倍频（如图5-4所示），所以上图中两路光电耦合器的输出信号直接送入F240芯片QEP单元的输入引脚4P与4P，通过设置QEP单元相关寄存器的值，并利用F240片内的通用定时器T3对输入脉冲进行计数，就可以确定相应的转速值。4P 4P 计数器计数脉冲 图5-4 正交编码脉冲单元将差动信号四倍频3. 交流电压的检测间接检测法 在直接转矩控制系统中，作为状态变量的磁通和转矩是由三相相电压、相电流检测值经过一系列的运算后得到的。感应电机交流定子电压的检测方法很多，常用的有光电耦合直接检测法和LEM电压传感器检测法两种。后者虽然检测性能优良，但价格较高；前者则响应较慢，线性度也难以保证。所以，在实际中采用的是间接测压方法。其理论依据是：根据瞬时空间矢量理论，在不考虑逆变器死区效应的情况下，三相交流电压可由直流母线电压和开关状态信息共同得到。本系统选用的是LEM电流霍尔元件测压法，即由霍尔元件串一电阻再并接到直流电压上，通过F240芯片提供的片内A/D来检测霍尔元件感应的电流大小，从而确定直流侧电压，达到检测三相交流电压的目的。 4. 定子电流的检测 定子电流由霍尔传感器检测。本系统选用F240芯片提供的两个片内A/D转换器，分别对A相和B相定子电流进行采样，从而获得合成的定子电流信息。5. 系统保护 (1) 设置死区时间功率器件的存储效应使得它们在关断时必存在一个延迟时间即存储时间Tst，为了避免同一桥臂的两个功率器件发生直通，常常在其驱动电路中设置一个延迟时间Td(TdTst)以保证器件开通时有一个安全时间，这个时间即为死区时间，通常用硬件电路（如RC电路）实现死区延时32。F240芯片提供了死区控制单元（DBTCON），使得用户通过设置死区控制寄存器的内容即可精确地设置死区时间。这种用软件实现死区延时的方法简化了硬件电路设计（硬件延时电路可省略），极大地方便了用户。 (2) 硬件保护电路由于带负载能力所限，F240芯片CMP1CMP6引脚产生的6路PWM脉冲不能直接驱动EXB840芯片，需要经过一些逻辑门电路才能去驱动EXB840芯片。显然，下列条件必须得到满足： 正常工作时，6路脉冲经过这些门电路，逻辑关系不能改变 当出现异常情况(例如过压，或者由于寄存器控制字写错而导致上，下管同时出现高电平)时，逻辑门电路能立即封锁6路PWM脉冲以保护功率管不被烧坏。逻辑电路的原理图如图5-5所示（以一相为例） 由图可知，(x=16)，其中PWM1与PWM2、PWM3与PWM4、PWM5与PWM6分别是三相桥臂的某一对脉冲。 由于 正常工作时Vce为高，同一桥臂的每一对脉冲或者为反相，或者同为低（死区）。故这时总有一旦某对脉冲出现了同高现象（如PWM1=PWM2=1），这时由于使得=0，使得PWMx=0，同时功率驱动保护引脚也动作，使六个PWM引脚输出高阻态。实践表明：所设计的逻辑电路非常灵敏有效，起了很好的保护作用。 与非门 4011 芯 片 与非门 4011 芯 片 反相缓冲器4049芯片至EXB840 四输入 与 门 4082 芯 片 Vce保护至引脚(功率驱动保护中断引脚) 图5-5 逻辑电路原理图5.3 系统软件设计5. 3.1系统软件总体结构 本系统采用主从式计算机结构。其中，上位机完成多种管理功能，下位机则完成对电机的控制。上位机由第四章介绍的上位机程序改进而成，下位机则根据直接转矩控制算法对系统速度、转矩进行实时控制。下位机中的控制软件可分为两组程序模块主程序和中断服务程序。主程序一般在完成初始化之后进入循环，以等待中断事件的发生；检测电流、转矩并发出6路PWM脉冲则在定时器下溢中断服务程序中完成。 此系统主要用到了三个中断：串口中断、功率驱动保护中断、通用定时器T1下溢中断。具体而言，串口中断处理从上位机发来的命令代码以完成相应的功能（如通讯握手，读取数据存储区内容等）；功率驱动保护中断用于保证电机驱动系统的安全操作：如果PDPINT引脚未被屏蔽，当其置低电平时会使相应的中断标志位EVIFRA0置位 ，从而将所有事件管理器输出脚置成高阻状态，这样就保证了系统的安全。通用定时器T1下溢中断则保证系统每隔一定时间（设置为120us），根据直接转矩控制算法算出应作用的电压矢量并发出6路PWM脉冲；本系统采用查询法在T1下溢中断服务程序内读取A/D转换结果，完成对两相电流的采样。整个系统软件结构如图56所示。 系统初始化程序模块 进入循环，等待中断通用定时器T1中断（检测电流、转速，依据算法发出6路PWM脉冲） 功率驱动 保护中断串行口中断 （数据接收与发 送） 图56 系统程序结构及各模块关系示意图5.3.2 系统主程序模块 主程序模块主要完成初始化工作。包括：关闭看门狗，初始化时钟寄存器，与通用定时器相关的寄存器，全比较单元以及串口通讯模块等。主程序模块的流程图如图57所示。需要指出的是：在指定正交解码脉冲单元（QEP）对码盘速度信号进行检测之前，必须先设置相应的I/O寄存器OCRB和PBDATDIR。这是因为用于接收速度信号的两个引脚QEP1与QEP2是复用引脚，在默认情况下被指定为数字I/O引脚；如果不通过相应的I/O寄存器将其设置为QEP单元脉冲输入引脚，将导致F240芯片对码盘脉冲的计数值始终为零。 初始化I/O口 开始初始化正交解码脉冲单元（QEP） 禁止所有中断初始化串口通讯模块（SCI） 关闭看门狗初始化时钟寄存器清除中断标志寄存器IFR初始化通用定时器T1各寄存器设置中断屏蔽寄存器IMR，允许串口、通用定时器T1下溢中断及功率驱动保护中断初始化全比较单元各寄存器 开放总中断初始化死区控制寄存器DBTCON 循环等待 图57 主程序模块初始化流程图 5.3.3 串行口中断服务程序模块串行口中断服务程序的功能是：接收主机（上位机）发送来的命令，数据和参数，并进行适当的处理。数据包的格式与各命令的含义均与第四章4.3节中所述的一致。为了能有效地实现此功能，串行口中断服务程序也必须严格按照第四章4.3节中所介绍的通信协议进行编程。这样，串行口中断服务程序通过对命令码的识别，就可以完成读数据存储区，系统速度，电流的控制等一系列复杂的功能。5.3.4 功率驱动保护中断此中断服务程序的内容十分简单：当发生功率驱动保护中断时，立即返回至主程序死循环处，系统将自动将事件管理器所有输出引脚置为高阻态。5.3.5 通用定时器中断服务程序模块 依照直接转矩控制算法对电机进行控制的工作完全由通用定时器中断服务程序完成。其中速度环计算程序流程如图58所示，通用定时器中断服务程序模块的流程图如图59所示 计算速度反馈信号V 速度环计算开始读取通用定时器T3的计数值并保存到temp单元由V和速度给定得误 差Err由速度误差Err进行PI计算，得到转矩给定通用定时器T3 计 数 值 清 零 速度环计算结束由temp单元内容计算0.96ms内编码器所发出的脉冲个数 图58 速度环计算流程图 通用定时器T1 中 断 开 始由转矩给定，Te，定子磁链所在的扇区号，定子磁链幅值给定及其大小，查最优开关模式表得到开关状态 保护现场 读取A/D转换结果，得到 两相电流ia，ib及主回路电压Ud Y N过流标志置位?判断ia，ib是否过流，若过流则设置过流标志输出零 矢 量通过全比较动作单元(ACTR)输出此开关状态将A/D转换结果分别转换为相应的4.12格式清除过 流标志 通过计算得到 速度环0.96ms计数值到?NY按U_I模型计算得到定子磁链幅值|s| 采样速度并进行速度环计算 由判断出定子磁链所在的扇区号由判断出定子磁链所在的幅值范围 恢复现场 中断返回 计算得到电磁转矩Te图59 通用定时器T1中断服务程序流程图在图59中，各变量按如下公式33计算： (51) (52) (53) (54)其中，是a，b相电流，是直流母线电压，为开关量(详见第二章2.1节定义)，为定子电阻，为极对数。根据(5-1)计算，根据(5-2)求出，按式（5-3）计算(离散化处理)，Te按式(5-4)计算。系统中的各模拟量（如某相电流，转子转速等）经过A/D采样（或光电码盘进行编码）后，转换为相应的数字量，由F240芯片进行处理。显然实际的模拟值与相应的数字量之间存在着一定的对应关系。同时，由于F240芯片是定点DSP芯片，为了能够完成小数的运算处理，编程者必须对采样值进行一定的变换以完成小数的运算功能。关于采样值的变换处理将在下一节中详细讨论。为了加快控制程序的执行速度，减少控制程序带来的控制滞后，必须快速地判断定子磁链所在的扇区号20，本文采用如下方法：由第二章图25可知，当 时，定子磁链必在0，1，2号扇区中的某一个，定子磁链的准确位置可由的正负及和0.5|s|(|s|为定子磁链幅值)之间的关系予以确定。由于判断某个变量是否为负只需判断其最高位是否为1，而判断两个变量之间的大小只需判定它们的差是否为负，因而只需用到减法指令及位判断指令即可快速完成定子磁链所在扇区号的判定。由于F240指令集中没有开平方指令，因而对定子磁链幅值的判定转化为对幅值平方的判定（即由判定是否有|s|gd转换为判定|s|2gd2，即判定是否有，其中为定子磁链幅值给定），显然只需用到F240所提供的平方指令及加减指令即可完成对定子磁链幅值的判定。 有了定子磁链所在的扇区号，幅值判断，再加上转矩的判断，即可确定最优开关矢量。利用所查得的结果直接对三个全比较寄存器(CMPRx)进行赋值，即可输出6路PWM脉冲，从而实现了对电机的控制。 转矩的给定值是由速度环运算得到的。本系统利用一个数据单元speed_time进行计数，此数据单元的初始值为8，每120s其内容减1，当此单元内容为0时进入“速度环计算”模块，完成速度的检测与调节。常见的数字式速度测量一般有三种方法：M法，T法和M/T法。为了简化系统运算，节省运行时间，本系统选用最简单的M法对电机转速进行测量。具体的方法是：读取通用定时器T3的计数值，保存于暂存数据单元（temp单元），然后将T3清零。这时temp单元的内容就是码盘脉冲经F240片内正交解码脉冲单元（QEP）四倍频后的值。对这个值进行变换，与速度给定值相比较，得到速度误差值，再由PI调节器运算就得到转矩给定值。 5.3.6 变量处理方法 1. 定点型DSP芯片的特点 自1982年德州仪器公司（TI）推出第一代数字信号处理器TMS32010以来，DSP芯片的发展经历了定点型，浮点型和多处理器型三个阶段。TMS320F240芯片的内核为TMS320C2XX型DSP内核，属于定点型DSP芯片。虽然目前已推出了以C语言为基础的开发软件包，但对于直接使用F240汇编指令集进行编程的开发人员而言，F240这种定点型DSP芯片只支持整数运算。其内置的32位累加器（ACC）和32位结果存储器（PREG），可直接支持16位整型变量的加、减、乘法运算。它所提供的“有条件减（SUBC）”指令可使开发者完成16位整型变量之间的除法运算（但要求除数必须是一个正数）。对于小数之间的运算，例如0.20.5或者0.20.5，定点型DSP芯片所提供的汇编指令无法完成。这就需要编程者自己确定某种数据格式，以完成小数之间的运算。 2. 4.12格式及变