1 引言

电动机是在工农业及日常生活中应用最为广泛的一种电气设备，异步电动机更以其结构简单，坚固耐用等优点，渐渐取代直流机。由于交流电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，过去的V/F控制都是从电机稳态方程出发研究其控制特性，动态效果均不理想。随着电力电子技术及自动控制技术的发展，特别是20世纪70年代初研究电机动态过程的矢量变换方法的提出，使交流电动机的调速性能已可与直流电机相媲美。矢量变换技术巧妙地实现了交流电机磁通和转矩的重构和解耦控制，从而促进了交流电机调速系统走向高性能化[1]。然而，由于矢量变换控制的实现需要实时地完成坐标变换，转速、电流检测，磁链估计，PWM信号生成，以及故障检测和保护等多种功能，因此要处理的数据量大，实用性和精度要求高，传统的单片机，如51系列，96系列等，都难以满足要求。而DSP器件具有较高的集成度，具有比单片机更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，最为突出的是，DSP器件精简的指令系统(大多数指令能在一个指令周期内完成)、独立的程序和数据空间等使其具有高速的数据运算能力，使设计出结构简单性能优越的矢量控制调速系统成为可能，因此DSP越来越多地被应用于电机控制中。自20世纪80年代初美国德州仪器公司(Taxas Instrument)向市场推出第一代DSP芯片以来,10多年来DSP的处理速度和性能不断提高,在价格上也已经从最初期的几百美元下降到了几美元，其应用前景非常广阔。本文介绍了TMS320LF2407芯片的基本结构和性能，并利用瑞士Technosoft公司推出的MCK2407 DSP运动控制实验装置实现变频调速系统的全数字矢量控制。实验结果表明，该矢量控制系统结构简单，具有良好的动静态调速性能。

2 交流电机矢量控制策略

控制算法是电机控制实时性的主要因素之一，也是控制精度的决定因素。因此应用先进合理的算法可以提高系统的性能。由德国学者F Blashke提出的磁场定向矢量控制，是一种影响广泛的交流电机变频调速控制策略。矢量控制使感应电动机调速性能可与直流机调速性能相比美，实现瞬时值的控制且响应速度快，适用于精度要求高，动态响应好的场合。在以转子磁场定向的矢量控制系统中，一般把d-q坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d轴与转子磁场方向重合，此时转子磁通q轴分量为0[2]，如图1所示。

图1 异步电动机的旋转坐标系

矢量变换控制的方式主要有两种:转速闭环、磁通开环，转速、磁通都闭环的控制方式。在转速闭环控制中又可以分为有速度传感器和无速度传感器的矢量控制方式，本文采用速度磁通闭环，且有速度传感器的控制方式。控制系统在同步旋转坐标系中变换方程为:

克拉克变换(Clark Transform):

派克变换(Park ransform):

其中θ为d轴与α轴的夹角。

根据矢量控制原理，系统框图如图2所示。

图2 矢量变换控制原理框图

为使系统具有较好的动态性能和稳态精度，速度控制器和电流控制器均采用积分分离的PI控制，定子电流的转矩分量给定值iqref和励磁分量给定值idref都是在旋转坐标系中给出的，iqref是速度控制器的输出，idref与转子磁链给定成比例，可直接给出;两个电流控制器的输出即为定子电压矢量给定值在同步旋转坐标系中的两个分量uqref、udref，它们经坐标变换得到三相电压瞬时给定值ua、ub、uc，由PWM脉冲发生电路最终生成PWM脉冲信号，作为逆变器的输入信号;电流反馈信号经坐标变换得到两个电流的反馈量id和iq;转子磁链观测器的模型采用电流模型，将实测的电流和转速信号经变换得到转子磁通角θ，以进行正确的磁场定向，这种方法比较适合计算机实时计算。

3 TMS320LF2407芯片简介

TMS320LF240x系列是TMS320C2000家族中最新、功能强大的DSP芯片，其中LF2407是最具有革命性的产品，是当今世界上集成度较高、性能较强的运动控制芯片，特别适合于三相异步电动机的高性能控制。它与现存24x DSP控制器芯片代码兼容的同时，240x芯片具有处理性能更好(30MIPS)、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等优点，是电机数字化控制的升级产品。其主要特点如下:

(1) 两个事件管理器模块EVA和EVB，为开发者提供完整的、高效的马达控制方案，提供所有的PWM和IO，可以控制所有类型的电机。

(2) 采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的损耗;30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns，从而提高了控制器的实时控制能力。

(3) 片内有高达32K×16位的Flash程序存储器;高达2.5K字×16位的数据/程序RAM;544字节双端口RAM(DARAM);2K字的单口RAM(SARAM)。

(4) 可扩展的外部存储器总共具有192K×16位的空间，分别为64K字程序存储器空间、64K字的数据存储空间和64K字的I/O空间。

(5) 10位ADC转换器，其特性为:最小转换时间为500ns、8个或16个多路复用的输入通道，采集时间和转换时间分开，提高了采样率和输入阻抗，并且支持自动顺序采样，不需CPU干预。

(6) CAN总线控制器可以为控制器、传感器、激励源以及其它节点提供良好的通讯，特别适用于工业现场和汽车等强噪声和恶劣的环境中。

(7) 5个外部中断(两个驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。

4 基于MCK2407 DSP实验装置的矢量控制交流调速系统

MCK2407 DSP Motion Control Kit实验装置的硬件系统由MSK2407 DSP板、功率模块ACPM750和带霍尔传感器及500线编码器的实验电机组成。计算机通过RS232接口与MSK2407 DSP完成通讯，并利用实时串行通讯监控实现下载/上载程序，调试及检查设备等功能。

其主要结构如图3所示。整个系统为交直交变压变频电路，功率模块ACPM750为主回路包括整流电路，滤波电路和IGBT逆变电路。MSK2407为控制回路，以DSP芯片TMS320LF2407为核心。霍尔传感器检测的主回路电流信号ia和ib，经调理后送给DSP内部ADC转换成数字量。光电编码器采集的数据直接送到DSP内的QEP处理，得到电机的转速n及位置信号θ，并进行矢量控制运算，产生PWM控制量，通过驱动电路驱动IGBT工作。另外为保证安全系统还设置了过压、过流、过热、短路及逻辑电源故障等检测功能。

图3 基于TMS320LF2407的电机控制系统结构框图

实验软件系统主要包括PROCEV2407和DMC Developer Pro。前者是用于TMS320LF2407外围电机控制的图形式评估软件，为用户提供编辑和测试基本I/O函数(包括定时器，PWM，捕获单元，QEP，A/D转换器等)的分析平台;后者是集调试器、汇编器、连接器等于一体的数字运动控制开发平台，它是DSP程序开发和分析的高级工具，可在一个项目管理系统中创建、修改和测试程序。DMC Developer Pro还包括数据记录仪和信号发生器，可以方便地集成到程序代码中，为程序的开发和调试提供有效的解决方案。系统通过Windows IDE可以实时观测所有系统变量，并且电机参数也可由用户制定并下载到DSP中，从而优化控制算法。此实验装置的软硬件结合，可以非常方便地实现高性能电机控制的训练、测试和开发。

DSP程序采用C语言和汇编语言混合的编程方式，以提高代码率。主程序用C语言编写，提高了代码的可读性和程序结构的清晰性;实时中断子程序、数字滤波器和坐标变换等用汇编语言编写，提高了运算的快速性，从而使用软件取代模拟器件进行高性能交流传动控制成为可能。控制策略采用转子磁场定向矢量控制，控制系统软件包括:电机电流、速度的采样与计算，控制算法的实施，坐标变换，PWM信号的直接输出，故障检测与保护，数据交换与通讯等。系统所需参数及转速给定都通过上位机给出。软件流程如图4所示。

5 实验结果及结论

实验系统中，PWM频率为20kHz，死区时间为

5μs，电流环采样周期为100μs，速度环采样周期为1ms，速度环的输出限幅值为额定电流的1.5倍，电流环的输出限幅为额定电压的1.2倍。实验控制一台SIEBER电机，其参数为:额定功率0.37kW，额定转速2820r/min，额定电流1.7A，额定电压110V。

电机空载运行时，实验结果由上位机的Trace窗口显示，如图5。转速给定为300r/min阶跃信号，由转速波形图5(a)可以看出，系统可迅速达到稳态几乎无超调，且稳态误差小。电机达到稳态后突加斜坡信号的转速波形见图5(b)，稳态相电流波形见图5(c)。实验结果表明本系统设计合理，控制精度高，具有良好的动静态性能。

DSP有非常快的计算速度，适合于现代先进算法的实时实现，并且对于不同控制算法的实现只要改变系统软件，无须改变系统的其它部分即可完成，因此采用DSP来控制电机成为将来发展的趋势。