基于TMS320LF2407A直流电机闭环调速控制系统的设计

摘要：针对某型直流电机调速系统的要求，采用TMS320LF2407A和AT89C51设计一种双核直流电机闭环调速控制系统。TMS320LF2407A采集和调节电机转速信号，AT89C51输入给定转速并显示电机转速。给出系统硬件原理框图和程序流程。试验结果表明该控制系统具有动态响应快、控制精度高、实时显示、数据存储等优点。
关键词：TMS320LF2407A；AT89C51；闭环调速；实时显示；数据存储

    直流电动机以其良好的线性调速特性、简单的控制性能、高质高效平滑运转特性，一直在速度和位置控制方面处于主导地位，尤其是调速性能其他电动机无法比拟的。目前采用全控型电力电子器件进行脉宽调制(PWM)控制方式已成为直流电动机数字控制的基础。由于DSP具有运算速度高，死区时间的PWM输出，实现诸如模糊控制等复杂算法，外围硬件少等优点，因此广泛用于电机数字控制。这里采用MS320LF2407A型DSP和AT89C5l单片机为核心设计一种针对直流电机的全数字调速控制系统。

1 TMS320LF2407A简介
    图1为TMS320LF2407A内部基本结构框图，该器件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33 ns。由于其内部具有硬件乘法器，一个周期内即可完成16x16的算法，仅需33 ns。该器件内部具有时钟锁相环电路，可通过软件编程设置内部所需高频。

    TMS320LF2407A内部存储器中包含DRAM和SRAM两大类。其中，DRAM分为3个RAM块B0、Bl、B2，容量依次为256字、256字、32字。这些RAM都允许在1个指令周期内访问2次，因此数据处理能力显著增加。同时，B0块还可通过程序配置为数据存储器或程序存储器区。若配置为程序存储器区则可在上电时将浮点算法子程序或数据表由外部慢速EPROM装入该空间区，以缓解高速处理器与慢速外设间的矛盾，从而提高控制系统的动态性。TMS320LF2407A内置采样保持的10位精度、高速MD转换器，转换时间最短为500 ns。此外TMS320LF2407A还具有丰富的、功能强大的中断系统以及常用的I／O接口，这些特性大大简化了调速控制系统时硬件电路设计。

2 系统硬件设计
    图2为基于TMS320LF2407A直流电机闭环调速控制系统硬件框图。系统主电路采用交／直，交电压型变换器，功率器件采用智能功率模块IPM，该模块包含由4个：IGBT以及4个与IGBT反并联的续流二极管。控制电路部分由AT89C5l控制单元、TMS320LF2407A控制器、电流检测、转速检测、过压保护、欠压保护、过流保护、液晶显示和键盘输入接口等电路组成。

2．1 AT89C51控制单元
    AT89C51控制单元主要完成：1)通过键盘输入接口设置给定转速：2)液晶显示用于显示给定转速、电机启动转速和达到稳态转速；3)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转换电路输入到模拟设备。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；键盘输入采用矩阵式按键键盘，并通过单片机调用预设汉字，还可输入数字(用于设置转速)；双口模块用于存储TMS320LF2407A采集的变量波形数据。
2．2 TMS320LF2407A控制单元
    图3为TMS320LF2407A控制单元电路，主要包括光耦隔离、转速检测、电流检测和电压检测等电路。可实现过压保护、欠压保护、过流保护、转速控制等功能。其中，光耦隔离电路是由4片东芝公司的TLPl27及相应的限流电阻组成，实现TMS320LF2407A与IPM智能功率模块的电气隔离，并放大PWM信号。转速检测电路采用欧姆龙1024原旋转型线编码器E682-CWZ6C，编码器输出的脉冲经TMS320LF2407A内部4倍频后产生每转4 096个脉冲，保证转速精度。将采样得到的数据与给定数据相比较，调整DSP输出驱动脉冲的宽度，调节电机电压，进而调节电机转速。电流采样电路采用2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信号输出：另一路检测流过电动机的电流，使电动机在调速的过程中保持该电流不变，从而保持输出转矩不变。该系统设计TMS320LF2407A采用ADCIN00和ADCIN012通道采集电流信号。直流母线的采样电压通过ADCIN02通道输入DSP，根据采样得到的数据，当电压超过设定的上下限时，DSP关断PWM脉冲的输出，从而实现过压和欠压保护功能。

3 系统软件设计
    该直流电机闭环调速控制系统的原理框图如图4所示。其中，给定速度由键盘输入接口电路输入AT89C5l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。

    AT89C5l系统设定电机给定转速和显示实际转速，其程序流程如图5(a)所示。上电后，首先从P1口读出由键盘输入的给定转速，并将该转速存储TMS320LF2407A的双口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器SEDl520，由SEDl520驱动OCMJ4X8B-2显示转速，显示范围为0．9～999 r／min。当TFMS320LF2407A工作后，ATF89C51先判断有无键盘输入(即给定转速是否变化)；若变化，则将新的给定转速写入双口RAM并显示。否则，从双口RAM读出电机实际转速并显示。TMS320LF2407A上电后运行的主程序流程如图5(b)所示。首先完成初始状态的设定(包括对相关变量采样、数据存储等)，然后读出给定转速，并判断实际转速是否达到给定转速；若达到，则一直循环运行；若未达到，则进入中断处理子程序，调节电机转速，直到与给定转速相等为止。转速调节中断子程序流程如图5(c)所示。进入子程序后首先读出电流检测量，与给定电流进行比较，并对电流进行PI调节。然后读出实际转速并将该转速存储在双口RAM，判断该电流是否与给定转速相等，若相等则不进行速度PI调节，否则相反，进而改变PWM脉宽，退出中断子程序。

4 试验结果
    采集空载启动时的电机转速反馈变量和定子电流变量，通过USB接口电路传输至上位机：在上位机上绘出波形如图6所示。从图中看出，电机在约20 s内达到设定的转速值l 000 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。

    当电机运行时，改变其运行速度(以加速为例，转速从100 r／min增加到l 000 r／min)，采集给定转速和反馈转速变量，传输至上位机后绘出的转速反馈波形和给定波形如图7所示。由图7看出，4 s后实际转速达到给定转速值，达到1000r／min时，转速波动只有9r／min，控制精度很高，达到设计要求。

5 结束语
    采用以TFMS320LF2407A为PWM控制的核心，以AT89C5l控制单元为电机转速控制管理核心的直流电机闭环调速控制系统具有数据存储、实时显示等功能，试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。