基于ARM的交流电机直接转矩控制系统的设计

崔屹

摘 要：直接转矩控制是继矢量控制之后，迅速发展起来的一种新型的高性能的交流变频调速技术。而伴随着微电子技术的迅速发展，基于ARM的高性能微处理器的应用越来越广泛，特别是在机电产品中的应用越来越普遍。因此研究直接转矩控制嵌入式系统具有广阔的应用前景和实际应用价值。

关键词：嵌入式系统；直接转矩控制；S3C2440A；Linux系统

中图分类号：TM346 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0023-01

本文首先介绍了交流电动机直接转矩控制的基本原理，在分析交流电动机转矩的数学模型的基础上，论述了空间电压矢量与转矩和磁链之间的关系，并给出了直接转矩控制系统的基本结构。

1 研究的目的和意义

随着交流调速系统得到越来越广泛的应用，交流调速控制理论得到了快速的发展，越来越多的先进的控制方式应用到交流调速中，在交流调速控制方法中，直接转矩控制具有转矩响应迅速，且无超调，具有良好的静动态性能，并且已成功应用于通用变频器，高铁电动牵引等系统中，创造了巨大的经济、社会价值。但是先进的交流调速方法在带来控制性能改进的同时，对调速控制系统硬件提出了更高的要求[1]。目前国内外对此的研究主要建立在专用DSP控制器平台上，开发环境和实现方法相对成熟，但成本较高、高频时钟的高频干扰以及功率消耗较大等问题是其明显的缺点。

2 研究的主要内容

（1）学习研究直接转矩控制的有关理论与系统实现的各种方法，为设计开发基于ARM的交流电机直接转矩控制系统打下良好的基础。（2）建立基于ARM9内核的直接转矩控制嵌入式系统，主要硬件包括S3C2440A CPU、Nand Flash、Nor Flash、SDRAM、触摸屏（NEC 3.5 inch）接口、ADC转换接口、IIC、UART、USB、以太网接口以及GPIO口等。（3）通过分析控制系统对嵌入式硬件的要求和控制系统本身的特点，选择一款合适的ARM开发板作为目标板，用于系统的快速开发和原型实验。针对交流直接转矩控制系统以及目标板的硬件特点，设计并实现输入接口电路、大功率继电器输出驱动电路、标准电流环（4-20mA）传感器输入，A/D转换接口电路以及用PWM模拟D/A转换的DAC接口转换电路。（4）通过分析当前主流嵌入式操作系统的特点，选用开源的Linux操作系统，学习研究Linux操作系统内核的编译和移植，Linux根文件系统的制作和移植，Linux环境下A/D转换驱动程序的编写以及在目标板上的移植。（5）在Qtopia嵌入式图形开发环境下，开发直接转矩控制系统的图形界面，将编写好的驱动程序、图形界面进行交叉编译，得到应用程序的嵌入式可执行文件，并移植到目标板上，实现对电机的直接转矩控制。

3 控制系统程序组成结构

对于直接转矩控制系统来说，系统软件是实现控制规律的关键部分。本系统采用Linux操作系统，采用多进程技术开发，通过模块化的设计，完成对两相电流和母线电压的AD采样、直接转矩基本控制、LCD显示、与PC机的通信等任务。直接转矩控制系统软件主要包括主程序和中断处理程序两大部分。主程序完成软件和硬件的初始化工作、键盘和显示的处理和开中断等一些工作。中断服务程序包括主中断服务程序和功率模块保护中断程序。主中断服务程序主要是完成包括A/D采样、控制策略实现以及PWM调制信号输出。功率模块保护中断程序主要是处理过压、过流等故障，对IPM模块起保护作用[2]。

4 系统实现及应用测试

把设计好的各界面文件（*.ui），以及构造函数（*.h）和实现函数（*.cpp）、main.cpp，用Qt2提供的progen工具生成项目文件（*.pro），然后用qmake工具生成编译所需的Makefile文件，通过交叉编译工具linux-gcc对项目下的文件进行交叉编译通过后，会得到应用程序的可执行文件。把应用程序的可执行文件复制到Qtopia-2.2.0以及根文件系统_qtopia下的opt/qtopia/bin目录，库文件和字体文件拷入root-qtopia/opt/qtopia/lib目录下，应用系统的图标文件（PNG格式的图标文件）拷入root-qtopia/opt/qtopia/pics目录，的.desktop桌面配置文件拷入root-qtopia/opt/qtopia/apps/EmbedSky目录，利用affs2image工具，把root_qtopia目录制作成映象文件EmbedSky.img。将BootLoader、linux-2.6.30內核（zImage）、包含应用系根文件系统（qtopia.img）下载到目标板的Nand Flash中，整个应用系统就完成了。

5 结语

本设计的操作系统采用嵌入式Linux操作系统，详细介绍了PC与开发板之间交叉编译环境的建立，Uboot的移植，Linux内核的移植、配置与编译，根文件系统的制做等问题。然后在根文件系统下建立了Qt/Embedded图形用户界面，并用编写C++程序对控制系统的界面进行设计，实现了对电机运行的实时监控。

参考文献

[1]谭会生.ARM嵌入式系统原理及应用开发[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[2]李新峰，何广生，赵秀文.基于ARM9的嵌入式Linux开发技术系统[M].北京：电子工业出版社，2008.