摘要：針對某型直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求，采用TMS320LF2407A和AT89C51設(shè)計(jì)一種雙核直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。TMS320LF2407A采集和調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，AT89C51輸入給定轉(zhuǎn)速并顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。給出系統(tǒng)硬件原理框圖和程序流程。試驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)存儲等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：TMS320LF2407A；AT89C51；閉環(huán)調(diào)速；實(shí)時顯示；數(shù)據(jù)存儲

    直流電動機(jī)以其良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能、高質(zhì)高效平滑運(yùn)轉(zhuǎn)特性，一直在速度和位置控制方面處于主導(dǎo)地位，尤其是調(diào)速性能其他電動機(jī)無法比擬的。目前采用全控型電力電子器件進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)控制方式已成為直流電動機(jī)數(shù)字控制的基礎(chǔ)。由于DSP具有運(yùn)算速度高，死區(qū)時間的PWM輸出，實(shí)現(xiàn)諸如模糊控制等復(fù)雜算法，外圍硬件少等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于電機(jī)數(shù)字控制。這里采用MS320LF2407A型DSP和AT89C5l單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一種針對直流電機(jī)的全數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)。

1 TMS320LF2407A簡介
    圖1為TMS320LF2407A內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖，該器件采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，流水線作業(yè)，在30 MHz的內(nèi)部時鐘頻率下，指令周期僅33 ns。由于其內(nèi)部具有硬件乘法器，一個周期內(nèi)即可完成16x16的算法，僅需33 ns。該器件內(nèi)部具有時鐘鎖相環(huán)電路，可通過軟件編程設(shè)置內(nèi)部所需高頻。

    TMS320LF2407A內(nèi)部存儲器中包含DRAM和SRAM兩大類。其中，DRAM分為3個RAM塊B0、Bl、B2，容量依次為256字、256字、32字。這些RAM都允許在1個指令周期內(nèi)訪問2次，因此數(shù)據(jù)處理能力顯著增加。同時，B0塊還可通過程序配置為數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器區(qū)。若配置為程序存儲器區(qū)則可在上電時將浮點(diǎn)算法子程序或數(shù)據(jù)表由外部慢速EPROM裝入該空間區(qū)，以緩解高速處理器與慢速外設(shè)間的矛盾，從而提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性。TMS320LF2407A內(nèi)置采樣保持的10位精度、高速M(fèi)D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間最短為500 ns。此外TMS320LF2407A還具有豐富的、功能強(qiáng)大的中斷系統(tǒng)以及常用的I／O接口，這些特性大大簡化了調(diào)速控制系統(tǒng)時硬件電路設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    圖2為基于TMS320LF2407A直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件框圖。系統(tǒng)主電路采用交／直，交電壓型變換器，功率器件采用智能功率模塊IPM，該模塊包含由4個：IGBT以及4個與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管。控制電路部分由AT89C5l控制單元、TMS320LF2407A控制器、電流檢測、轉(zhuǎn)速檢測、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、液晶顯示和鍵盤輸入接口等電路組成。

2．1 AT89C51控制單元
    AT89C51控制單元主要完成：1)通過鍵盤輸入接口設(shè)置給定轉(zhuǎn)速：2)液晶顯示用于顯示給定轉(zhuǎn)速、電機(jī)啟動轉(zhuǎn)速和達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；3)完成對雙口RAM中存儲數(shù)據(jù)的讀取，并將讀取的數(shù)據(jù)通過USB接口電路導(dǎo)入上位機(jī)或通過D／A轉(zhuǎn)換電路輸入到模擬設(shè)備。其中，液晶顯示單元采用中文圖形兩用型液晶顯示模塊OCMJ4X8B-2；鍵盤輸入采用矩陣式按鍵鍵盤，并通過單片機(jī)調(diào)用預(yù)設(shè)漢字，還可輸入數(shù)字(用于設(shè)置轉(zhuǎn)速)；雙口模塊用于存儲TMS320LF2407A采集的變量波形數(shù)據(jù)。
2．2 TMS320LF2407A控制單元
    圖3為TMS320LF2407A控制單元電路，主要包括光耦隔離、轉(zhuǎn)速檢測、電流檢測和電壓檢測等電路?？蓪?shí)現(xiàn)過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、轉(zhuǎn)速控制等功能。其中，光耦隔離電路是由4片東芝公司的TLPl27及相應(yīng)的限流電阻組成，實(shí)現(xiàn)TMS320LF2407A與IPM智能功率模塊的電氣隔離，并放大PWM信號。轉(zhuǎn)速檢測電路采用歐姆龍1024原旋轉(zhuǎn)型線編碼器E682-CWZ6C，編碼器輸出的脈沖經(jīng)TMS320LF2407A內(nèi)部4倍頻后產(chǎn)生每轉(zhuǎn)4 096個脈沖，保證轉(zhuǎn)速精度。將采樣得到的數(shù)據(jù)與給定數(shù)據(jù)相比較，調(diào)整DSP輸出驅(qū)動脈沖的寬度，調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。電流采樣電路采用2片霍爾電流傳感器CN61M／TBC25C04；一路將檢測到的直流母線上瞬時電流值送入過流保護(hù)電路，當(dāng)其值大于過電流值
時，相應(yīng)過流保護(hù)電路動作產(chǎn)生保護(hù)信號，關(guān)斷PWM信號輸出：另一路檢測流過電動機(jī)的電流，使電動機(jī)在調(diào)速的過程中保持該電流不變，從而保持輸出轉(zhuǎn)矩不變。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)TMS320LF2407A采用ADCIN00和ADCIN012通道采集電流信號。直流母線的采樣電壓通過ADCIN02通道輸入DSP，根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)，當(dāng)電壓超過設(shè)定的上下限時，DSP關(guān)斷PWM脈沖的輸出，從而實(shí)現(xiàn)過壓和欠壓保護(hù)功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。其中，給定速度由鍵盤輸入接口電路輸入AT89C5l單片機(jī)控制系統(tǒng)，速度PI調(diào)節(jié)、電流PI調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速反饋量的計(jì)算由TMS320LF2407A編程實(shí)現(xiàn)。測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速通過AT89C51控制系統(tǒng)輸出到液晶顯示單元上實(shí)時顯示。

    AT89C5l系統(tǒng)設(shè)定電機(jī)給定轉(zhuǎn)速和顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速，其程序流程如圖5(a)所示。上電后，首先從P1口讀出由鍵盤輸入的給定轉(zhuǎn)速，并將該轉(zhuǎn)速存儲TMS320LF2407A的雙口RAM中，同時，給定轉(zhuǎn)速通過單片機(jī)P0口輸出到液晶顯示單元的驅(qū)動控制器SEDl520，由SEDl520驅(qū)動OCMJ4X8B-2顯示轉(zhuǎn)速，顯示范圍為0．9～999 r／min。當(dāng)TFMS320LF2407A工作后，ATF89C51先判斷有無鍵盤輸入(即給定轉(zhuǎn)速是否變化)；若變化，則將新的給定轉(zhuǎn)速寫入雙口RAM并顯示。否則，從雙口RAM讀出電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速并顯示。TMS320LF2407A上電后運(yùn)行的主程序流程如圖5(b)所示。首先完成初始狀態(tài)的設(shè)定(包括對相關(guān)變量采樣、數(shù)據(jù)存儲等)，然后讀出給定轉(zhuǎn)速，并判斷實(shí)際轉(zhuǎn)速是否達(dá)到給定轉(zhuǎn)速；若達(dá)到，則一直循環(huán)運(yùn)行；若未達(dá)到，則進(jìn)入中斷處理子程序，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，直到與給定轉(zhuǎn)速相等為止。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序流程如圖5(c)所示。進(jìn)入子程序后首先讀出電流檢測量，與給定電流進(jìn)行比較，并對電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。然后讀出實(shí)際轉(zhuǎn)速并將該轉(zhuǎn)速存儲在雙口RAM，判斷該電流是否與給定轉(zhuǎn)速相等，若相等則不進(jìn)行速度PI調(diào)節(jié)，否則相反，進(jìn)而改變PWM脈寬，退出中斷子程序。

4 試驗(yàn)結(jié)果
    采集空載啟動時的電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)兞亢投ㄗ与娏髯兞?，通過USB接口電路傳輸至上位機(jī)：在上位機(jī)上繪出波形如圖6所示。從圖中看出，電機(jī)在約20 s內(nèi)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值l 000 r／min。在啟動過程中，定子電流由于PWM控制，產(chǎn)生一定的波動，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值后，定子電流也很快趨于穩(wěn)定。

    當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時，改變其運(yùn)行速度(以加速為例，轉(zhuǎn)速從100 r／min增加到l 000 r／min)，采集給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速變量，傳輸至上位機(jī)后繪出的轉(zhuǎn)速反饋波形和給定波形如圖7所示。由圖7看出，4 s后實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速值，達(dá)到1000r／min時，轉(zhuǎn)速波動只有9r／min，控制精度很高，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語
    采用以TFMS320LF2407A為PWM控制的核心，以AT89C5l控制單元為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制管理核心的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲、實(shí)時顯示等功能，試驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。