三相永磁同步电机双闭环调速控制系统的设计——基于TMS320LF2407A和AT89C51

王朕 刘陵顺

（海军航空工程学院控制工程系，山东烟台 264001）

1 引言

由于无电刷，相对于绕线式转子同步电机，永磁转子同步电机不仅克服了其致命缺点，还具有体积小、重量轻、惯性低、效率高、转子无发热等优点，因此，广泛应用于武器装备、工业机器人、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。

随着计算机进入控制领域及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型电力电子器件进行空间矢量(SVPWM)控制方式已成为交流电机控制的主流。目前，这种控制方式已成为交流电动机数字控制的基础。

相对于其他控制器，DSP具有运算速度高、自己产生有死区时间的PWM输出、实现诸如模糊控制等复杂的算法容易、外围硬件少等优点，因而广泛用于电机的数字控制。本文采用TMS320LF2407A DSP芯片和AT89C51单片机为核心设计了针对三相永磁同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。

2 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总线电路单元等主要部分。

TMS320LF2407A采用先进的哈佛结构，流水线作业，在30 MHz的内部时钟频率下，指令周期仅为33 ns。由于其内部具有硬件乘法器，一条16乘16位的算法在一个周期内即可完成，仅需33 ns。TMS320LF2407A内部具有时钟锁相环电路，从而可以通过软件编程来产生内部所需要的高频脉冲信号。

TMS320LF2407A内部存储器中包含两类RAM块，一类为DRAM，另一类为SRAM。对DRAM而言又划分为三个RAM块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，这些都使得设计调速控制系统时硬件电路得到简化[1,2]。

3 系统硬件设计

基于TMS320LF2407A三相永磁同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，该模块包含有6个IGBT、6个与 IGBT反并联的续流二极管。控制电路部分由 AT89C51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。

图1 系统硬件框图

3.1 AT89C51单片机控制单元

AT89C51控制单元主要完成以下功能：一是通过键盘输入接口电路完成对给定转速的设定；二是通过液晶显示电路完成对给定转速、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[3,4]。

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；键盘采用了矩阵式按键键盘，可以通过键盘调用单片机中预设的汉字，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[5，6]。

3.2 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[7]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TLP127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4096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。

电流采样电路采用三片霍尔电流传感器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。本文设计的控制系统中，TMS320LF2407A采用了ADCIN00、ADCIN01和 ADCIN02三路通道来采集电机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的时候，DSP关断PWM脉冲的输出，从而实现过压和欠压保护功能。

图2 TMS320LF2407A控制单元电路原理图

4 系统软件设计

4.1 闭环调速控制的原理

本文设计的双闭环调速控制系统的原理框图如图3所示。其中，给定转速由键盘输入接口电路输入AT89C51单片机控制系统，速度PI调节、电流 PI调节和转速反馈量的计算由TMS320LF2407A编程实现。测得的电机转速通过 AT89C51控制系统输出到液晶显示单元上实时显示[8]。

对于常用的三相凸极式转子永磁同步电动机，其转矩方程如下：

其中：ψf指转子磁钢在定子上的耦合磁链，它只在d轴上存在；P指转子的磁极对数。

因为是永磁转子，ψf是一个不变的值，所以式（1）说明了只要保持is与d轴垂直，就可以像直流电动机控制那样，通过调整电流iq来控制转矩，从而实现三相永磁同步伺服电动机的控制参数的解耦，实现三相永磁同步电动机转矩的线性化控制[9]，也就实现了转速的线性化控制。

具体工作原理如下：

通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流iA、iB，经过DSP的A/D转换器转换成数字量，并利用式iC=-(iA+ iB)计算出iC。通过Clarke变换和Park变换将电流iA、iB、iC变换成旋转坐标系中的直流分量isq、isd，isq、isd作为电流环的负反馈量。利用编码器测量电动机的机械转角位移θm，并将其转换成电角度 θe和转速 n。θe用于参与Park变换和逆变换的计算，n作为速度环的负反馈量。

给定转速 nref与转速反馈量 n的偏差经过速度PI调节器，其输出作为用于转矩控制的电流q轴参考分量 isqref。isqref和 isdref(等于零)与电流反馈量 isq、isd的偏差经过电流 PI调节器，分别输出 Odq旋转坐标系的相电压分量 Vsqref和 Vsdref。Vsqref和Vsdref再通过Park逆变换转换成Oαβ直角坐标系的定子相电压矢量的分量 Vsαref和 Vsβref。当定子相电压矢量的分量 Vsαref、Vsβref和其所在的扇区数已知时，就可以利用电压空间矢量SVPWM技术，利用DSP产生PWM控制信号来控制逆变器。

图3 双闭环调速控制系统框图

4.2 程序流程图

AT89C51单片机控制系统上电后，首先通过键盘输入接口输入电路给定转速，单片机将给定转速存储在双口 RAM中。同时，给定转速通过单片机 P0口输出到液晶显示单元的驱动控制芯片SED1520，由SED1520驱动 OCMJ4X8B-2显示转速，转速的显示范围为0～9999 r/min。然后，通过键盘来确定是否要对相关变量采样并存储。该部分程序流程图如图4(a)所示。其次给TMS320LF2407A DSP控制系统上电，运行初始化程序完成初始状态的设定（包括对相关变量采样数据存储等）。DSP控制系统对电机转速和电枢电流采样，与给定值进行比较，若达到设定转速则循环运行，当给定转速改变时，进入中断处理子程序。主程序流程图和中断处理子程序流程图分别如图4(b)和(c)所示[10]。

5 实验结果

对电机定子电流变量和转速反馈变量进行采样，通过USB接口电路转移到上位机；在上位机上绘出的波形如图 5(a)上下两个波形所示，波形的数据点为2048。从实验波形上看，电机在很小的时间内达到设定的转速值1000 r/min。在启动过程中，定子电流由于PWM控制，产生一定的波动，当转速达到设定值后，定子电流也很快趋于稳定。

图4 程序流程图

图5 实验波形

当电机运行时，改变运行速度时，对电机磁通φsα和φsβ进行数据采集，转移到上位机后绘出的磁通波形如图5(b)所示。从实验波形上可以看出，当电机转速发生变化时，电机的磁场变化幅度可以忽略，因此电机转速的变化也可忽略，即设计的控制系统对转速的控制精度很高，完全达到了设计要求。

6 结束语

本文采用以TMS320LF2407A为SVPWM控制的核心，以AT89C51控制单元为电机转速控制管理核心的三相永磁同步电机电流、转速双闭环调速控制系统具有数据存储、实时显示等功能，实验结果表明该控制系统具有动态响应快，控制精度高等优点。实践证明，该系统还具有较好的抗干扰性。该系统对其他交流电机调速系统的设计和实现具有也具有较高的指导意义。

：

[1]王晓明, 王玲. 电动机的 DSP控制. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2004年7月: 1～17.

[2]郑红, 隋强强, 周星. DSP应用系统设计实例. 北京:北京航空航天大学出版社, 2008年1月: 45～76.

[3]王朕, 刘学锋, 刘陵顺. 基于 AT89C51电机转速测量仪的设计与实现. 四川兵工学报, 2009.(5).

[4]白雷杰, 赵志伟, 彭立山. 基于单片机 P0口的片外数据存储器扩展. 电子设计工程, 2010. (3).

[5]唐宗军, 杨光, 王维, 钦兰云. 基于 DSP和单片机的高速数据采集与处理系统. 仪器仪表学报, 增刊,2004, 25(4).

[6]田艳兵, 崔光照. TMS320LF2407数字信号处理芯片与PC机间的串行通讯. 嵌入式论文集, 2003.9.

[7]王晓明, 王玲. 电动机的 DSP控制. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2004年7月: 37～67.

[8]郑红, 隋强强, 周星. DSP应用系统设计实例. 北京:北京航空航天大学出版社, 2008年1月: 108～114.

[9]吴红星, 谢宗武, 张强. 基于 DSP的电动机控制技术. 北京: 中国电力出版社, 2008年8月: 283～288。

[10]周毅, 徐兴, 徐德炳. TMS320LF2407在低速小角度低电压直流无刷电机控制中的应用. 电子测量与仪器学报, 2004年增刊.