摘 要：磁場定向、直接轉(zhuǎn)矩等高性能的交流電機(jī)控制方式若能成功應(yīng)用到交流傳動(dòng)電力機(jī)車上，將使機(jī)車的性能得到顯著提高。本文介紹了一種采用兩個(gè)高速數(shù)字信號(hào)處理器為主構(gòu)成的雙DSP全數(shù)字化電機(jī)控制系統(tǒng)。對(duì)整個(gè)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)做了介紹，對(duì)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)闡述。 關(guān)鍵詞：數(shù)字化控制; 電機(jī)控制 1 引言 　　控制系統(tǒng)是交流傳動(dòng)系統(tǒng)的核心，決定了交流傳動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)主要性能和指標(biāo)。隨著各種微處理器的發(fā)展和成熟，如何將數(shù)字化的控制技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)系統(tǒng)中去，是研究者非常感興趣的課題，特別是高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，將會(huì)大大改善交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，所以引起了人們的廣泛注視。 　　本文提出了一種應(yīng)用于高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)的雙DSP數(shù)字化控制電路系統(tǒng)方案，由具有可編程IO端口、脈寬調(diào)制（PWM）發(fā)生器、脈沖捕獲單元等片內(nèi)集成外設(shè)的16位高速定點(diǎn)DSP芯片TMS320F243，以及通用的32位高速浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C32為主組成。其中TMS320F243用于電壓電流信號(hào)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換、過流過壓保護(hù)和輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的功率逆變器。而TMS320C32負(fù)責(zé)速度信號(hào)采集計(jì)算和控制算法的計(jì)算。在適當(dāng)?shù)能浻布f(xié)調(diào)下，DSP芯片通過雙端口RAM完成公用數(shù)據(jù)交換，并使雙DSP處于并行的工作狀態(tài)。 2 數(shù)字化控制的交流傳動(dòng)系統(tǒng)總體構(gòu)成 　　采用雙DSP控制的交流傳動(dòng)系統(tǒng)由功率變換裝置、雙DSP控制系統(tǒng)、感應(yīng)電機(jī)組成。其中DSP全數(shù)字控制電路由兩個(gè)DSP為核心構(gòu)成雙DSP控制系統(tǒng)，用以完成數(shù)據(jù)采集（包括直流輸入電壓、交流輸出電壓電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等），數(shù)據(jù)處理（電機(jī)電流基波分析計(jì)算、電磁轉(zhuǎn)矩和磁通的估計(jì)等），系統(tǒng)保護(hù)（直流母線過壓過流保護(hù)、缺相保護(hù)、過熱保護(hù)等）控制功能。功率變換裝置由兩點(diǎn)式三相逆變器及IGBT驅(qū)動(dòng)電路組成，根據(jù)控制系統(tǒng)送來的PWM信號(hào)產(chǎn)生正確的輸出電壓供給負(fù)載的三相感應(yīng)電機(jī)。 3 雙DSP控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　采用數(shù)字控制的傳動(dòng)系統(tǒng)，一方面要對(duì)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和磁通進(jìn)行分析計(jì)算;另一方面，還需要有一個(gè)完整的控制功能和邏輯處理接口功能，以完成控制上的要求。整個(gè)雙DSP控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。 [align=center] 圖1 雙DSP控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖[/align] 　　控制系統(tǒng)的雙DSP芯片分別采用浮點(diǎn)芯片TMS320C32和定點(diǎn)芯片TMS320F243。對(duì)TMS320C32來講，其運(yùn)算能力很強(qiáng)，但片內(nèi)資源和I/O端口較少，邏輯處理能力也較弱，主要用于浮點(diǎn)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理（浮點(diǎn)運(yùn)算可以大大提高精度和動(dòng)態(tài)范圍）;而F243正好相反，其片內(nèi)外設(shè)資源豐富，I/O端口使用方便，但其運(yùn)算精度和速度有一定限制，所以用于數(shù)據(jù)采集和過程控制。兩個(gè)DSP芯片通過雙端口RAM完成數(shù)據(jù)交換。這兩個(gè)DSP芯片的互補(bǔ)可充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，使控制系統(tǒng)達(dá)到最佳組合。 　　3.1 TMS320F243子系統(tǒng) 　　TMS320F243子系統(tǒng)主要功能有：PWM控制信號(hào)輸出、電壓電流采集、中間變量的DA輸出、鍵盤顯示。 　　TMS320F243具有每秒2千萬條指令的處理運(yùn)算速度，并具有豐富的I/O端口、片內(nèi)集成外圍設(shè)備以及專用的PWM發(fā)生器。F243 控制器內(nèi)部有三個(gè)全比較單元，專為橋式電路PWM設(shè)計(jì)，一對(duì)輸出引腳對(duì)應(yīng)一組橋臂，當(dāng)上橋臂開啟時(shí)下橋臂關(guān)閉，反之亦然。在全比較單元內(nèi)嵌了非對(duì)稱/對(duì)稱波形發(fā)生器、死區(qū)產(chǎn)生電路、空間矢量狀態(tài)機(jī)等功能，與F243內(nèi)部的16位定時(shí)器配合可以方便的實(shí)現(xiàn)各種PWM輸出功能。F243片內(nèi)集成的同步串行接口SPI，結(jié)合MAXIM公司的專門用于SPI接口的LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219，只用三根信號(hào)線，即可構(gòu)成一個(gè)簡單可靠的顯示電路。選擇MAX7219的BCD譯碼方式，CPU以字節(jié)為單位與MAX7219進(jìn)行同步串行通信，使CPU的干預(yù)最小，減少CPU的占用率。系統(tǒng)選用異步并入/串出芯片CD4021擴(kuò)展了八個(gè)功能鍵，與F243的接口也只用三根信號(hào)線。當(dāng)有鍵按下時(shí)即向F243申請(qǐng)外部中斷，F(xiàn)243響應(yīng)中斷，依次將各個(gè)鍵的狀態(tài)串行讀入，判斷鍵碼并轉(zhuǎn)相應(yīng)的服務(wù)程序。 　　高性能的電機(jī)控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集三相輸出電壓電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速來計(jì)算出電機(jī)的磁通和電磁轉(zhuǎn)矩，為了提高控制精度，檢測的精度要求很高，而且最好是同步檢測各相電壓和電流。本系統(tǒng)選用了一片AD7864對(duì)兩相電壓電流同時(shí)采樣。AD7864是高速、低功耗、單電源、四路同步采樣、12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。具有一個(gè)1.65μs的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，四路跟蹤/保持放大器，2.5V參考電平，片內(nèi)時(shí)鐘，信號(hào)調(diào)整電路及一個(gè)高速的并行總線接口。AD7864可對(duì)四個(gè)通道的模擬輸入信號(hào)同步采樣，并將四個(gè)通道之間的相對(duì)相位和大小信息保存下來，這使得它特別適合于交流電機(jī)控制、三相電網(wǎng)電壓檢測等場合。 　　由于數(shù)字控制算法均由控制軟件完成，并且高性能的電機(jī)控制方案都有復(fù)雜的中間變量，它們無法用示波器直接觀測。為便于系統(tǒng)的調(diào)試、監(jiān)控和驗(yàn)證，選用DA芯片AD7836將中間變量轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。AD7836是ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的14位數(shù)據(jù)并行輸入，4路模擬輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。其建立時(shí)間為16μs，采用雙電源±15V供電，參考電壓范圍為-5V～+5V，輸出電壓范圍-10V～+10V。 　　3.2 TMS320C32子系統(tǒng) 　　TMS320C32子系統(tǒng)主要功能有：電機(jī)速度的檢測、電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)估計(jì)、逆變器輸出指令電壓的計(jì)算。 　　該子系統(tǒng)主要由DSP芯片TMS320C32、兩片16位FLASH 芯片AT49F1025、兩片16位高速SRAM芯片ISSI61C6416和電機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路組成。 　　TMS320C32是高性能的32位浮點(diǎn)DSP，其單周期指令執(zhí)行時(shí)間為50ns，一個(gè)32位浮點(diǎn)乘法50ns即可完成。浮點(diǎn)運(yùn)算與定點(diǎn)運(yùn)算比較起來，具有更高的精度，并且不用考慮運(yùn)算的溢出問題，具有更好的運(yùn)算性能。 　　FALSH用于存放程序和初始化的數(shù)據(jù)，SRAM用于存放實(shí)時(shí)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。TMS320C32復(fù)位后，由內(nèi)部固化的自引導(dǎo)（BOOT）程序?qū)⒋嬗贔LASH的程序和數(shù)據(jù)移至高速SRAM，然后在SRAM中運(yùn)行。 　　傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)速度檢測精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制精度非常關(guān)鍵，由于電力機(jī)車轉(zhuǎn)速范圍寬和光電編碼盤每轉(zhuǎn)孔數(shù)的不定，一般轉(zhuǎn)速測量軟硬件方案的選擇和實(shí)時(shí)切換的方案都不盡相同。在本系統(tǒng)中，利用TMS320C32外部中斷的邊沿觸發(fā)方式和內(nèi)部32位定時(shí)器的優(yōu)點(diǎn)，可以以單一的測周期方式在可能的電機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)高精度的測量轉(zhuǎn)速。 　　3.3 雙DSP數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng) 　　雙DSP數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)由雙口RAM實(shí)現(xiàn)，選用IDT公司的8K×16位高速CMOS靜態(tài)雙口RAM——IDT7025。IDT7025除了通用雙口RAM的功能外，還內(nèi)置了中斷邏輯，可以更高效的完成雙DSP通信功能。比如當(dāng)F243向雙口RAM傳輸完采集到的數(shù)據(jù)后，接著向雙口RAM內(nèi)的特定地址單元隨機(jī)寫數(shù)據(jù)，則IDT7025和C32連接的中斷輸出管腳產(chǎn)生跳變信號(hào)，引起C32中斷，C32在讀取數(shù)據(jù)后，可以通過讀雙口RAM的特定地址單元將該中斷信號(hào)復(fù)位。反之亦然。雙口RAM及其中斷功能使得雙DSP間迅速、方便的交換數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了雙微機(jī)系統(tǒng)的并行處理能力。 4 結(jié)論 　　與其他電路結(jié)構(gòu)相比，采用雙DSP數(shù)字化控制的傳動(dòng)系統(tǒng)具有控制精度高、體積小、功能強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，并且調(diào)試方便，系統(tǒng)控制方案設(shè)置靈活，可以迅速修改控制方法和算法，大大減少了系統(tǒng)調(diào)試的工作量。。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 卓放，王躍，何益宏，李紅雨，王兆安. 采用雙DSP控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三相四線制有源電力濾波器. 第七界中國電力電子與傳動(dòng)控制學(xué)術(shù)會(huì)議CPED’2001文集. 　　[2] 李威. 感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究. 北方交通大學(xué)博士學(xué)位論文. 2000