TMS320F240在同步电机变频调速中的应用

文章编号：１００１—９９４４（２００７）０２—０００１—０３　ＴＭＳ３２０Ｆ２４０在同步电机变频调速中的应用　孟武胜．杨鹏　（西北工业大学自动化学院，西安７１０Ｏ７２）　摘要：介绍了基于ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片的同步电机变频调速系统。该系统采用矢量控制　思想．选用ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片及其它外围电路构成同步电机变频调速的硬件系统，变　频调速系统的电流、电压、采样电路及检测保护等电路和控制方法，从而实现同步电机电　压和频率的可调。　关键词：ＴＭＳ３２０Ｆ２４０；脉宽调制；变频调速；同步电机　中图分类号：ＴＭ３５１　文献标志码：Ｂ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｖａｒｉａｂｌｅ－－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　Ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ＴＭＳ３２０Ｆ２４０　ＭＥＮＧ　Ｗｕ—ｓｈｅｎｇ．ＹＡＮＧ　Ｐｅｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｌｌ　７　１００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＴＭＳ３２０Ｆ２４０．ａｄｏｐｔｓ　ｔｈｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｄｅａ．ｗｉｔｈ　ｔＩｌｅ　ＴＭＳ　３２０Ｆ２４０，ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔＩｌｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ－　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ，ｓｎｙｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｓｏｍｅ　ｃｉｒｃｕｉｓｔ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｓｅｐｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｃｈｅｃｋ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ａｌｓｏ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｄｅｓｉｎｇｅｄ．Ｗｉｔｈ　ｓｕｃｈ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃａｎ　ｂｅ　ａｔｔａｉｎｅｄ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＴＭＳ３２０Ｆ２４０；ｐｕｌｓｅ－ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）；ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｉｔｈ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　电机控制是作为现代工业自动化进程中一个相　精度。ｌ６Ｋ的ＦＬＡＳＨ　ＥＥＰＲＯＭ，可由ＴＭ￥３２０Ｆ２４０控　当重要的组成部分。而变频调速．特别是变频调速技　制芯片内核本身擦除和编程。使用该芯片无需外扩　术的发展。已使世界范围内的电机控制领域发生了　程序存储器。大大简化了控制电路的设计。提高了系　根本性变革，它是随着电力电子功率器件、控制理　统的抗电磁兼容能力和系统的稳定性。能实现高速　论、微处理器和专用集成电路。甚至冷却技术等的发　输人和高速率传输数据。同时由该芯片构成的电路　展而飞速发展【”。　具有低成本、低功耗、精度高、多功能化、通用化、性　同步电机的变频调速信号往往还是用一些专用　价比好等特点［２１。它能实现系统控制、数据处理等的　的模拟芯片控制器或者是信号发生器来产生．缺乏灵　智能化，系统动态性能好。非常适合于先进电机控制　活性、可靠性。而ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片集成了主要　算法的数字化实现。　电机外设控制部件，具有高速运算能力和较高的采样　收稿日期：２００６－０７－０３：修订日期：２００７—０ｌ一２４　作者简介：孟武胜（１９６０一），男，副教授，现从事航空电气领域的研究。　田　维普资讯 http://www.cqvip.com

１　工作原理　１．１　ＴＭ￥３２０Ｆ２４０控制芯片变频调速的工作原理　基于ＴＭＳ３２ＯＦ２４Ｏ控制芯片变频调速实质是利　用空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）原理，它是一种特　殊的开关触发顺序和调节脉宽大小的组合．这种开　关触发顺序和调节脉宽大小的组合将在定子线圈　中产生互差１２０。电角度波形失真较小的三相正弦　电流『１ｌ。实践和理论都可以证明，与直接的正弦脉宽　调制（ＳＰＷＭ）技术相比，ＳＶＰＷＭ在输出电压或电机　线圈中的电流都将产生更少的谐波，从而提高了供　电电源的利用效率。　本控制系统采用新型的ＳＶＰＷＭ变频技术，利　用ＤＳＰ芯片高速运算的能力，产生输出频率和调制　比可任意改变的ＰＷＭ波．来实现永磁同步电机的　变频调速。　１．２　ＴＭ￥３２０Ｆ２４０实现同步电机变频调速原理　采用ＴＭＳ３２０Ｆ２４０生成对称的ＳＶＰＷＭ硬件电　路如图ｌ所示［３１。　眦　Ｉ对称，不Ｉ　Ｌｕ　ＬＩＭ－ｃｏ　１Ｊｌ　　２　－Ｊ　”　０　ｒ　对称波形　—　ｒ—　］ｒ』一　ＰＷＭ１　’　茎　ｌ　垄生墨！　僦　　Ｉ譬死区　　输出　ＰＷＭ２　逻辑　电路　曩　套时　ｊ死区定时Ｉ—赢　—　一　图１　ＴＭＳ３２０Ｆ２４０中的ＰＷＭ电路结构示意图　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｆｏｒ　ＰＷＭ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ＴＭＳ３２０Ｆ２４０　ＴＭＳ３２０Ｆ２４０可以通过两种方法来生成ＳＶＰ—　ＷＭ：①采用ＴＭＳ３２０Ｆ２４０自身的ＰＷＭ电路．这种　方法属于二相调制法中的一种，由于二相调制的空　间电压矢量ＰＷＭ在一个开关周期内始终有一个桥　臂不发生开关动作。因而能够减少开关损耗．但谐波　就会高一些，然而这种方法却比较容易实现；②采用　全比较单元电路。该方法是根据输出电压矢量所在　的不同扇区来对其相邻两向量和两个零状态矢量进　行合成，这实质是一种优化的ＰＷＭ方法．其系统硬　件的初始化主要完成两部分工作：ＣＯＭＣＯＮ［１２］＝０．　则关闭系统硬件电路产生的空间矢量ＰＷＭ模式：　ＣＯＭＣＯＮ［１２］＝１，则开启全比较操作。　采用ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片生成ＰＷＭ的具体　方法是用一个定时计数器来重复ＰＷＭ周期．用一　自动化ｓ仪表２００７（２１　个比较寄存器来存放调制值，不断地将定时计数器　的值与比较寄存器的值进行比较。当两值相等（匹　配）时，其输出就发生跳变；当到达第二次匹配或到　达定时器周期的末尾时，输出就产生另一次向相反　的跳变．由此产生输出脉冲。显然输出信号的跳变时　间由比较寄存器的值决定，改变比较寄存器的值即　改变了脉冲的宽度。　２硬件部分设计　基于１ＭＳ３２ＯＦ２４Ｏ的矢量控制结构如图２所　４】。　３ＡＣ　５０Ｈｚ　图２控制系统硬件框图　Ｆｉｇ．２　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇｒａｍ　系统由主电路、控制电路和辅助电路构成。其主　电路中逆变器采用ＩＧＢＴ功率模块；控制电路以　ＴＭＳ３２０Ｆ２４０芯片为核心．构成功能齐全的全数字　矢量控制系统，对系统的控制、通讯、显示与保护等　负责；系统的参数、故障信息等保存在ＴＭＳ３２０Ｆ２４Ｏ　芯片的存储器中；辅助电路由辅助开关电源（用以给　系统提供多路直流电源），驱动电路（用于ＩＧＢＴ的　隔离驱动），电流电压检测电路等组成。　系统参数由上位机ＰＣ机通过ＲＳ２３２接口下传　给ＴＭＳ３２０Ｆ２４０，ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片负责采样各　相电流、计算电机的转速和位置，最后运用矢量算　法，得到电压空间矢量的ＰＷＭ控制信号经过光藕　隔离电路后，驱动逆变器功率开关器件。同时，　ＴＭＳ３２ＯＦ２４Ｏ控制芯片还监控变频调速系统的运行　状态，当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时．　ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片将封锁ＰＷＭ输出信号，使电　机停机，并通过指示灯显示［５１　２．１　电流采样　采样电路如图３所示　田　维普资讯 http://www.cqvip.com

图３电流采样电路　Ｆｉｇ．３　Ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　在电流采样电路中使用电压跟随器，以提高电　路的输入阻抗，减少信号的损失，提高抗干扰能力。　Ｃ是大容量的可变电容，用于将采样值拉平为直线　电平（平均值）。由于ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片供电电　源为＋３．３Ｖ，因此二极管Ｄ１、Ｄ２起着限幅保护作用，　确保进入ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片的电平在０～３．３Ｖ　之间，避免对采样通道产生不利影响。　２．２　电压采样　采样电路如图４所示。　图４电压采样电路　Ｆｉｇ．４　Ｖｏｌｔａｇｅ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　采样电压经过运算放大器　。放大，线性光藕隔　离，运算放大器　放大后，输出电压送入检测保护　电路部分。　２．３电压、电流检测与保护　电压电流检测与保护电路如图５所示　＋３＿３Ｖ　Ｖｏｕｔ　图５电压／电流检测保护电路　Ｆｉｇ．５　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ／ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　电压／电流采样值与限幅值进行比较．比较器　ＬＭ３１９输出信号经光藕隔离器件ＴＬＰ７５９及电平转　换后送入ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片进行检测处理。若　出现过压或过流情况，ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片输出　报警信号，同时ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片的快停信号　有效，触发器封锁ＰＷＭ脉冲输出；若系统工作正　常，ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片输出表征正常运行状态　的指示信号［５１　四　２．４通信模块　用一片ＭＡＸ２３２和ｒＩ’ＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片内部　的控制器．实现基于ＲＳ２３２的ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯　片与ＰＣ机的串行接口。　２．５位置检测　位置检测采用光电编码盘，可把经光电盘输出　的两路脉冲信号经整形后直接送入ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控　制芯片中．在ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片中进行一系列　处理．从而获得电机的转速信号和转向信号。　３软件设计　随着变频调速技术的不断进步，它的功能不断　丰富、可靠性得到不断提高，从而导致了其程序编制　的复杂性和难度。根据功能可将变频变压整个程序　系统划分为主程序、采样程序、ＰＷＭ程序、显示程　序、键盘程序、故障保护中断程序及人机接口程序等　组成［６１。限于篇幅，这里仅介绍一部分。　３．１　主程序　主程序是整个程序的最主要部分，它完成了同　步电机的变频调速的主要功能，如图６所示。　图６主程序流程图　Ｆｉｇ．６　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　１）系统初始化部分主要包括：Ｉ／０接口、波形发　生器、定时计数器等。　２）设定参数值，实质是设定频率值，并最终通过　ＬＥＤ显示出来　３．２采样流程图　采样中断程序主要完成主电路中电压、电流等　参数的采样工作，如图７所示　３．３其它　１）通讯中断程序，主要用来接收并刷新控制参　数，同时设置运行模式。　维普资讯 http://www.cqvip.com

统工作的可靠性高、速度及模拟检测良好；③利用　ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片可以非常方便地实现ＳＶＰ—　ＷＭ算法．是目前电机控制中比较理想的选择，很适　合用于变频调速的控制系统中『ｌ１２１。　图７采样流程图　Ｆｉｇ．７　Ｓａｍｐｌｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　２）功率驱动保护中断程序，主要用于检测智能　功率模块的故障输出，当出现故障时，ＰＷＭ通道将　被封锁．从而使输出端变成高阻态。　图８逆变器输出的实际电流波形　４结语　以ＴＭＳ３２０Ｆ２４０为核心组成的同步电机的变频　Ｆｉｇ．８　Ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｃｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　调速控制系统硬件结构简单、稳定可靠．且具有动态　响应快、控制精度高等优　ｆ１２。是一种实现理想变频　调速的控制方法。经实验验证，达到了预期的设计目　的．并在海声航空技术有限公司投入使用。结果表　参考文献：　【１］韩安太．ＤＳＰ控制器原理及其在运动控制系统中的应用【Ｍ］．北　京：清华大学出版社，２００３．　【２］刘和平，等．ＴＭＳ３２０Ｌｂ２４０Ｘ　ＤＳＰ结构、原理及应用【Ｍ］．北京：北　京航空航天大学出版社，２００２．　明：①使用ＴＭＳ３２０Ｆ２４０控制芯片可以有效改善　ＰＷＭ谐波特征。使频谱减少，并且电源利用率高；②　在以ＩＧＢＴ为功率模块的电压型主电路上进行实　验．如图８所示为同步电机在空载时逆变器输出的　实际电流波形（ＩＧＢＴ开关频率为１ＫＨｚ）（横轴表示　时间，纵轴表示实际电流波形）．实验结果表明该系　【３］李永东．交流电机数字控制系统【Ｍ］．北京：机械工业出版社，　２ｏ０２．　【４］Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｐｏｒｔ．ＴＭＳ３２０Ｆ２８Ｘ　ＤＳＰ　Ｅｖｅｎｔ　Ｍａｎａｇｅｒ（ＥＶ）Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｇｕｉｄｅ［Ｚ］．２００４，４５—５０．　【５］何希才．新型开关电源设计与应用【Ｍ］．北京：科学出版社，２００１．　【６］王念旭，等．ＤＳＰ基础与应用系统设计【Ｍ］．北京：北京航空航天大　学出版社，２ｏ０１．　一　（上接第８０页）　在试运行。　经过调试，ＢＲＩＭ一１楼宇远程智　参考文献：　【１］蒋步军，等．智能小区设备自动控制系统的设计与研究【Ｊ］．自动化　与仪器仪表，２００３，（２）：７－ｌ１．　能化管理器运行状态良好，基本能满足设计要求，正　３结语　基于嵌入式操作系统开发的ＢＲＩＭ一１楼字远程　智能化管理器集现代测控技术、计算机技术、互联网　技术、嵌入式技术为一体的综合技术。它的应用大大　简化系统结构、增加系统的兼容性、开放性和可靠　性，便于实行标准化以及组织规模化的生产．从而显　著降低系统成本，具有良好的产业化前景和推广应　用价值。　自动化与仪表２００７（２）　【２］蒋小洛，朱海涛．智能家庭网络及其关键技术【Ｊ］．电视技术，２００３，　（５）：６３－６５．　【３】刘敢峰，吴明光．家庭自动化几种主流网络协议【　．电子技术应　用，２００３，（２）：６－８．　【４］李建，徐壁华．基于ＷＥＢ技术的远程监控系统【Ｊ］．现代电子技　术，２ｏ０２，（６）：９０—９２．　［５］黄勋，唐慧强．嵌入式平台ＡＲｂｌ—Ｉ．ｒＣｌｉｎｕｘ的构建与应用开发【Ｊ］．　武汉理工大学学报，２００６，ｌ（３０）：１７４—１７７．　【６］李岩，荣盘祥．基于Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ嵌入式Ｉ．ｒＣｌｉｎｕｘ系统原理及应用　【Ｍ］．清华大学出版社，２００５．　一　囫