第３２卷第３期 ２０１０年６月 电气电子教学学报 Ｊ（）ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＥＥＥ Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２Ｏｌ０ 基于ＤＳＰ的全数字交流调速系统实验平台开发 王海稳 ，张井 ，张敏。，邵雪卷 （１．太原科技大学自动化系，山西太原０３００２４；２．武昌造船厂技术中心船研所，湖北武汉４３００６０） 摘要：本文介绍 一种新型基于ＤＳＰ的全数字交流调速系统实验开发平台，阐述了基于ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ２４０７的系统组成和软硬件功能模块 设计方法，该实验平台具有硬件透明和软件开放等特点，在实际的教学和科研使用中取得了良好的的效果。 关键词：交流调速系统；矢量控制；数字信号处理器 中图分类号：ＴＰ２７３；ＴＭ９２１．５ 文献标识码：Ｂ ’ 文章编号：１００８—０６８６（２０１０）０３—００６７—０４ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ Ａｌｌ Ｄｉｇｉｔａｌ ＡＣ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｐｅｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ＷＡＮＧ Ｈａｉ—ｗｅｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ－ｇａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎ ，ＳＨＡＯ Ｘｕｅ－ｊ ｎａｉｌ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｌ ｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ ２．Ｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｍａｒｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｗｕｈａｎ ４３００６０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ａｌｌ ｄｉｇｉｔａｌ ＡＣ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｓｙｓ— ｔｅｍ，ｉｔ ｅｘｐａｔｉａｔｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ，ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｍｏｄｕｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２４０７．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｔｏ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｏｐｅｎ ｔｏ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＡＣ ｍｏｔｏｒｓ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＤＳＰ 数字信号处理器ＤＳＰ具有运算速度快，控制 由交流电机、功率驱动模块、控制器及测量与反馈模 块等组成。其中，各种控制策略和控制算法都是由 以ＤＳＰ为核心的控制系统实现的。基于ＤＳＰ的调 速系统实验平台的框图如图１所示。 输入指 算法灵活，运算能力强，性能价格比高和兼容性好等 优点，已广泛应用于全数字化交流调速系统中［１ ］。 ＤＳＰ可以通过数字控制排除温度误差以及模拟电 路的非线性误差和调整误差等因素的影响，从而大 大提高调速系统的性能。利用ＤＳＰ高速信号处理 的特性，可以实现各种先进的控制算法，从而使控制 性能进一步提高，这使得交流调速系统的性能和精 度更优于传统的交流调速系统。 本文讨论了高速ＤＳＰ在全数字交流调速系统 中的硬件和软件设计及其实验平台在教学中的实际 应用。 图１基于ＤＳＰ的交流调速系统实验平台框图 １实验平台结构 实验平台由Ｔｅｃｈｎｏｓｏｆｔ公司提供的电机运动 控制平台构成。它通过ＲＳ－２３２接口与上位机连 基于ＤＳＰ的全数字化交流调速系统实验平台 收稿日期：２００９—１０—１９；修回日期：２０１０ ０３—１９ 作者简介：王海稳（１９７８一），女，博士生，讲师，主要从事智能控制等方面的研究工作，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｈｅａｖｅｎ＠１２６．ｃｏｍ 张井岗（１９６５一），男，博士，教授，主要从事智能控制和鲁棒控制及其在电气传动系统中的应用等方面的研究工作； 张敏（１９７８一），男，硕士，工程师，主要从事交直流传动系统新型控制策略的研究； 邵雪卷（１９７５一），女，硕士，副教授，主要从事交直流传动系统新型控制策略的研究． ６８ 电气电子教学学报 第３２卷 接。其硬件部分核心处理器为ＴＩ公司开发的专用 电源对ＭＣＫ２４Ｏ７ ＤＳＰ模块供电，由２２０Ｖ交流电 于电机驱动的ＤＳＰ处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，通过专 用于电机控制的ＭＣ—ＢＵＳ总线与功率模块连接，可 以完成调试中的数据处理、记录及图像的生成等功 能。系统的软件环境为ＤＭＣ Ｐｒｏ，它具有程序编 源对ＡＣＰＭ ７５０功率模块及感应电机供电。系统 实物连接图如图３所示。 销 功率模块 ＤＳＰＫ 模块 感桃机 怂碰ｆ乜机 写，修改和调试等基本功能，同时具备对给定值进行 赋值和图形集成开发功能。两者共同作用实现对调 ＡＣ２２０ 速系统的控制并能对控制结果进行有效的分析。 ２实验平台组成 ２．１硬件平台 交流调速系统实验平台的硬件平台主要由三部 分组成：上位机、ＭＣＫ ２４０７ ＤＳＰ运动控制板和感应 电机。其结构框图如图２所示。 图２基于ＤＳＰ调速系统硬件结构图 ＭＣＫ ２４０７运动控制板由ＭＣＫ２４０７ ＤＳＰ模块 及ＡＣＰＭ ７５０功率模块两部分组成。它们之间通 过专用于电机控制的总线ＭＣ—ＢＵＳ总线连接。 ＭＳＫ２４０７ ＤＳＰ模块的核心是ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ ＤＳＰ 处理器。通过对ＤＳＰ处理器的扩展，使得 ＭＣＫ２４０７的运算能力更大，控制功能更强。 ＡＣＰＭ ７５０功率模块主要由检测和保护电路组成， 实现对信号准确的检测及电路的正常运行。上位机 通过ＲＳ２３２接口线实现与ＣＡＮ收发器之间的通 讯，而ＣＡＮ收发器确保ＭＣＫ２４０７ ＤＳＰ板上的 ＣＡＮ总线网络功能的实现。感应电机通过编码器 连线与运动控制板相连，编码器将检测到的速度信 号转化为对应的脉冲信号，即脉冲个数值，对此数值 通过ＤＳＰ处理后参与程序运行。这里由＋５Ｖ直流 ５０Ｈｚ 阁３基于ＤＳＰ调速系统实物图 ２．２软件架构 实验平台软件为ＤＭＣＤ Ｐｒｏ，它可在Ｗｉｎｄｏｗｓ 操作平台下运行。这是一个图形式运动控制评估与 分析软件，为ＴＭＳ３２０Ｉ Ｆ２４０内嵌的电机控制专用 外设的一个图形式运动控制评估／分析软件，适用于 一些特殊的内嵌于ＴＭＳ３２０Ｆ２４０７ ＤＳＰ中的运动控 制外部设备，具有参考量生成模块和轨迹规划功能。 ＤＭＣＤ－Ｐｒｏ平台是ＤＳＰ代码开发、调试和分析的理 想开发环境，可操作项目文件和它相关的监控变量， 组织项目管理系统，实现当前程序的启动、停止、断 点和单步执行。 ＤＭＣＤＰｒｏ包含先进的参考点发生器插件和 基本的汇编器及链接器，允许创建，修改和测试高级 汇编应用程序来选择合适的ＤＳＰ处理器。在此平 台下，可以编写、调试系统程序；对给定变量（电流， 速度，位置）进行赋值；具有先进的图形集成开发环 境的实时数据存取器。图形控制面板提供在线数据 显示和运动参数设置，实现调试过程中的全局变量、 ＤＳＰ板数据和程序内存内容的显示和编辑及实验 结果图像的生成。一个典型的实验结果显示如图４ 所示。 图４ ＤＭＣＤ－－Ｐｒｏ操作界面示图 ３实验平台功能实现 根据平台所要实现的功能及软件的设计要求， 第３期 王海稳，张井岗等：基于ＤＳＰ的全数字交流调速系统实验平台开发 ６９ 将软件分成两个主要模块：一个是主程序及系统初 ３．３ ＰＷＭ的产生 始化程序，包括ＤＳＰ硬件接口初始化，控制寄存器 赋初值；另一个是控制运行子程序，包括坐标变换， 控制器的实现和系统中断服务等。 主程序所要完成的任务较多，部分程序需要由 准确的定时，但对实时性和速度的要求一般都不高， 故主程序用Ｃ语言编写，以利提高代码的可读性和 采用一组等腰三角形波与正弦波进行比较的方式 生成ＰＷＭ波形。其中，这组等腰三角形波称为载波， 而正弦波称为调制波。如图５所示，图中的交点为开 关管的“开”或“关”的时刻。改变正弦波的幅值可以改 变正弦波与载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生 变化，从而改变了输出电压；改变正弦波的频率可以改 程序结构的清晰性。主程序中的定时借助于定时触 发的中断服务程序来完成，主程序在运行过程中不 断被定时触发的中断服务程序打断，在中断服务程 序的执行中运行。子程序对实时性要求较高，故采 用汇编语言编写，以提高运算的快速性。通过主程 序调用汇编子程序的形式对系统程序实行整合，达 到系统的控制要求。系统所需参数及转速值的给定 都通过上位机给出。 ３．１定时器及中断设置 在平台的实时环境中，有２个中断级别：①高 优先级中断，用于电流控制；②低优先级中断，用于 速度控制。由ＤＳＰ处理器的２个定时器完成。其 中，定时器１（ＧＰＴ１）用于产生一个频率为２０ｋＨｚ 的ＰＷＭ，并且用于产生实时中断去激活快速（电流 控制）和慢速（速度控制）中断。通过计数器，电流 控制子程序每２个ＰＷＭ周期（１００微秒）执行一 次，速度控制子程序每１０个ＰＷＭ周期（１毫秒）执 行一次。定时器２（ＧＰＴ２）用于编码脉冲的计数，通 过计算一个速度环采样周期内编码器位置的变化量 得到电机速度的数字值。 ３．２磁场位置检测 感应电机的转子磁场定向控制必须计算出转子 磁场的大小及位置，本系统通过滑差补偿装置得到 转子角度增量的计算，从而实现磁场的大小及位置 的确定。这里，我们引入滑差补偿参数（Ｃ—ｏｍｇ， Ｓｈ—ｏｍｇ，Ｃ—ｓｌｉｐ，Ｓｈ—ｓｌｉｐ分别对应为：速度因子、速度 因子偏移量、滑差因子、滑差因子偏移量）。我们可 以采用如下公式计算电角度的增量来测量速度： Ｔｈｅｔａ—ｉｎｃ＝Ｃ—ｏｍｇ ｏｍｇ＋Ｃ—ｓｌｉｐ ｉ－ｑ 一旦计算出电角度的值，它就可以用于坐标变 换中所必需的正、余弦值计算。正、余弦的计算采用 查表的方式求得。将３６０。电角度分成２５６份，每份 １．４０６２５。，编成２５６个正弦值数据表。将电角度转 化为Ｑ１２格式以 表示， 的范围为０～ＦＦＦＨ， 查表前将 右移４位，使其范围变成０￣ＦＦＨ，直接 成为查２５６（ＦＦＨ）个数据表的索引值。 变输出电源的频率，从而改变电动机的转速。 ＝＝Ｆ ＿７ 二＝ 。甘 Ｉ ＝Ｆ＝ ＝Ｈ＝ 闩＝ｊ＝ ｗＮ▲ 。 ＝ｆ［＝＝Ｒ 同Ｆ 图５ ＰＷＭ产生示意图 ＰＷＭ波形产生的方法有两类：硬件法和软件 法。硬件法是通过专用的集成电路生成ＰＷＭ波形， 本文采用软件法通过实时计算来生成ＰＷＭ波形，它 要求控制器的运算速度非常高，而ＤＳＰ无疑是满足 这一要求的理想处理器。将电流控制器的输出电压 值经过２／３坐标变换，可以得到感应电机各相电压给 定值（Ｑ１５格式）并存储在相应的比较寄存器中，通过 ＤＳＰ处理器的全比较ＰＷＭ单元来实现ＰＷＭ的产 生，ＰＷＭ的输出作为６路电源逆变器的输入。 ３．４速度的给定及其估计实现 速度的给定值通过上位机在ＤＭＣＤ－Ｐｒｏ平台 的给定值对话框中给出。ＤＭＣＤ－Ｐｒｏ平台内集成一 个通用的给定值发生器，通过上面的对话框它能很 容易的对变量（电流，速度，位置）进行赋值，同时还 可以完成对变量的定义，检查，修改以及添加、移除 等功能。 采用Ｍ法测量电机的转速，也就是在一个采样 周期Ｔ内，测取旋转编码器输出的脉冲个数Ｍ，来 计算采样周期内的平均转速，称做Ｍ法测速。如图６ 所示。 ｝．－——— ｆ＿—— ｒ＿］厂］ｒ＿１ 。‘ ｒ＿］厂］广］ 编码器输出脉冲 ‘ｒ——— ：洲 图６ Ｍ法测速示意图 ７０ 电气电子教学学报 第３２卷 用Ｍ除以丁即可得到编码器输出脉冲频率 厂‘＝Ｍ／Ｔ，所以这种方法亦称为频率法。电机转动一 圈产生的脉冲数为Ｚ（这里，Ｚ一倍频系数×编码器 光栅数），ｆ除以Ｚ就得到电机的转速。通常，周期丁 的单位为秒，转速的单位为ｒ／ｒａｉｎ，则电动机的转速 ｎ一６ｏＭｊ ４实验平台在教学中的应用 在实验平台上，针对调速系统的实际需求，首先 设计ＰＩ电流环控制器。ＰＩ参数设计的方法是首先 使电流环控制器零点对消电机模型极点，然后调试 Ｐ直到使内环刚好不产生超调为止。内环调试完成 后，通过扫频仪测试系统的模型，基本确定包含电流 调节器的系统模型后，开始调试速度环。由于ＤＳＰ 运算能力的限制，内环一般只采用ＰＩ控制器，系统 的控制性能指标均在速度调节器中完成。由于电流 内环调试相对简单，比较容易掌握。 速度环的调试首先是进行ＰＩ方法调试，在调试 ＰＩ参数时，首先根据Ｍａｔｌａｂ仿真结果在系统中实 验，然后根据系统带宽、稳态精度和稳定性之问的指 标约束，寻找ＰＩ参数的最佳值。这个过程需要一定 的经验，通过大量的实验，学生逐步掌握了系统参数 和系统响应之间的联系。 虽然，ＰＩ控制器较容易掌握，但通过调试整定 好的ＰＩ控制器可能还不能满足系统的全部指标要 求，这就需要设计更复杂的控制器，在该实验平台 上，可以实现多种复杂的算法，比如学生可以根据内 模控制原理设计感应电机的的控制器，采用内模控 制的系统结构如图７所示ｌ４］。 图７内模控制的系统结构图 通过Ｍａｔｌａｂ仿真可得到满足系统指标的控制 参数，然后通过软件编程下载到控制板中，系统主程 序和速度控制子程序流程分别如图８和图９所示。 图８系统主程序 图９速度控制子程序 经过参数调试，使系统指标满足要求。控制器模型 可以在软件中方便地进行更改，同时可以监测到系 统的响应特性。 ５ 结语 新一代的数字信号处理芯片在保证交流调速系 统控制效果的同时很好地满足了实时处理的需求。 其典型代表ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２４０７集成了电机控制所 需的外围设备，因此，由这种ＤＳＰ为核心的交流调 速系统具有体积小、可靠性高和系统稳定性好等优 点。该ＤＳＰ交流调速系统实验平台可以实现多种 复杂的算法如内模控制等，使得交流调速系统的性 能和精度更优于传统的交流调速系统，从而实现高 效率和高精度的交流感应电机的驱动控制。通过实 验教学，增加了学生的感性认识，操作能力得到了锻 炼，使学生对抽象的知识点有了更加直观的了解和 掌握。 参考文献： ［１］陈伯时．电力拖动自动控制系统ｒＭ］．北京：机械工业出版 社，２００４ Ｅ２］尹泉．基于ＤＳＰ的全数字交流调速系统ＥＪ］．天津：电气传动， ２００１，４：７－９ ［３］谢庆国．全数字交流调速系统软件设计［Ｊ１北京：计算机工程 与应用，２００２，５：２０７—２０９ ［４］张井岗．交流伺服系统的二自由度内模控制［Ｊ］．北京：电工技 术学报，２００２，１７（４）：４５—４８
