基于DSP的電機數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計

    劉述喜¹，王明渝²

(1重慶工學院，重慶400050；2重慶大學，重慶400044)

    摘要：對現(xiàn)場參量準確的測量是高性能控制的前提基礎(chǔ)．以電機專用數(shù)字控制芯片數(shù)字信號處理器TMs320L融407A為例，介紹了電機端量數(shù)據(jù)采集卡的原理及設(shè)計方法來確保檢測的準確性，并將設(shè)計的數(shù)據(jù)卡用于感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)的控制，實驗結(jié)果表明設(shè)計方案的可行性及良好的動靜態(tài)特性。

    關(guān)鍵詞：電機端量；數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)字信號處理器；感應(yīng)電機

    中圖分類號：TM346  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)12—0022—04

0引  言

    眾所周知，測量是控制的基礎(chǔ)，測量不準確，****的控制算法也不會取得好的控制效果，所以在實現(xiàn)電機高性能控制算法(矢量控制算法、直接轉(zhuǎn)矩控制算法等)的同時，電機現(xiàn)場參量(如電機端電壓、電流及轉(zhuǎn)速等)的輸入和數(shù)據(jù)采集是電機全數(shù)字實時控制器單元設(shè)計中一個十分重要的環(huán)節(jié)。

    交流電機通常由電壓源型逆變器供電，電機端電壓波形是一個方波信號，它含有豐富的諧波成分，在進行A／D轉(zhuǎn)換前必須濾除這些諧波成分：此外，在一定的A／D采樣頻率下，為了防止信號混疊，也必須濾除頻率比二分之一采樣頻率高的諧波成分。低通濾波器可以完成這些任務(wù)。但是，低通濾波器的存在會使電機端量信號電壓、電流發(fā)生相位移動，相位誤差的存在使得測量值偏離實際值，從而造成測量誤差，進而導(dǎo)致控制性能的下降^[4]。

    本文以德州儀器數(shù)字信號處理器TMs320LF2407A在高性能交流電機調(diào)速控制中的應(yīng)用為例，討論了在確保電機控制性能的前提下與之相關(guān)的對不同類型、不同物理屬性的電機運行參量進行測量的方法，主要是各種模擬量和開關(guān)量的檢測及其輸入通道設(shè)計方法以及與處理器的接口技術(shù)等。數(shù)字信號處理器根據(jù)測量結(jié)果對交流電機進行控制或者保護，最后將設(shè)計的電機端量數(shù)據(jù)采集卡用于感應(yīng)電機的矢量控制系統(tǒng)中進行實驗，結(jié)果表明該數(shù)據(jù)卡設(shè)計是可行的，可以獲得良好的電機控制性能。而且，這種基于電機參數(shù)數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計模式，使得應(yīng)用平臺對系統(tǒng)的控制和檢測非常靈活，可用于大部分電機和電源的控制策略。

1數(shù)據(jù)采集卡硬件設(shè)計

1.1數(shù)字量輸入輸出設(shè)計

    數(shù)字量輸入電路主要完成接點狀態(tài)(如電機的起動按鈕、停止按鈕)到邏輯信號的變換，與數(shù)字信號處理器輸人電平兼容才能被接受和處理。此外，由于給出開關(guān)信號的電氣接點有可能處在高壓環(huán)境中，電磁干擾也較強，為了隔離現(xiàn)場高壓，同時避免干擾，在接點與數(shù)字信號處理器之間還需要可靠的電隔離。因此，數(shù)字量輸入電路設(shè)計如圖1所示，采用光電隔離芯片TLP52l一4，其輸出DsPINo～4為5 v電平，由于DsP為3.3 V供電，考慮電平兼容的問題，還應(yīng)采用芯片74LVc245將5V電平轉(zhuǎn)換到3.3 V電平再送到DsP的IOPB口。數(shù)字量輸出電路如圖2所示，DsP輸出信號先通過74Hc 45電平變換后再經(jīng)光電耦合隔離送往外部的輸出口以控制接觸器的閉合與斷開。

1．2模擬量輸入輸出設(shè)計

    用DsP對交流電機進行全數(shù)字實時控制時，不僅要檢測開關(guān)量信號，更重要的是要檢測電機端電流和電壓波形，它們是實現(xiàn)各種控制算法和保護動作的原始依據(jù)。由于電機采用電壓源型逆變器供電，輸出電壓為方波，含有豐富的諧波，電流波形也是含有高次諧波的毛刺形狀。TMS320LF2407ADsP集成的A／D轉(zhuǎn)換器只能接受幅值在一定范圍內(nèi)(O～3.3 V)變化的電壓信號，因此模擬量輸入通道的設(shè)計應(yīng)考慮濾除干擾、極性變換和幅值變換等三個因素，然后把得到的電壓信號送人A／D轉(zhuǎn)換器，以便DsP采樣處理。在采用低通濾波器濾除高次諧波時，應(yīng)盡量減少輸出、輸入信號的相位移，使檢測值逼近真實值。

    此外，由于控制系統(tǒng)通常工作在電流受控的條件下，所以與電機電流基波分量相比，它的諧波分量所占據(jù)的比重要小得多。而且，電流受控PwM逆變器往往要求很寬的電流反饋帶寬以實現(xiàn)快速、準確的電流控制，所以電流反饋通道低通濾波器的截止頻率往往都是采樣頻率的整數(shù)倍，這樣才能避免電流采樣誤差^[4]。在這么高的截止頻率下，由低通濾波器引起的基波電流的相移就很小，電流測量通道可以不采取相位補償措施。

    電流檢測通道設(shè)計如圖3所示。采用LEM公司生產(chǎn)的電流傳感器LAl08-P(供電