摘要：直接轉矩控制（Direct Torque Control）是一種新穎的異步電動機調速方案，它是在定子坐標系下，通過檢測定子電壓、電流等變量，直接計算和控制電動機的磁鏈與轉矩，獲得轉矩的高動態性能。DSP具有運算速度快、處理能力強和實時性好等特點，這使得很多復雜的控制策略和控制算法得以容易地實現。本文介紹直接轉矩控制的基本原理、高性能TMS320F2812數字信號處理器的體系結構和主要特點、TMS320F2812在異步電機直接轉矩控制系統中的應用。

1 引言

隨著電力電子技術、微電子技術、控制理論的高速發展，交流調速技術得到了長足的發展，在高性能的交流調速領域內出現了矢量控制（VC）和直接轉矩控制（DTC）兩種控制思想。其中DTC技術摒棄了VC中的需要解耦的控制思想，它具有簡單的控制結構、良好的動靜態性能和快速的響應速度等特點，它一誕生就得到了廣泛關注，目前已成為研究的熱點問題。本文將介紹基于TMS320F2812 DSP芯片的交流感應電動機直接轉矩控制系統。

2 直接轉矩控制原理結構

直接轉矩控制系統基本原理圖如圖1所示。

圖1 直接轉矩控制基本原理圖
在圖1中，逆變器有三個橋臂，每個橋臂上存在互鎖的兩個開關Si、（i＝1，2，3），通過控制Si的開關狀態如圖1（a）所示，可以得到8個電壓空間矢量Us（加到電動機定子繞組上），其中6個為工作電壓空間矢量，它們等幅且兩兩相隔60°，連接這6個電壓空間矢量的頂點可構成一個正六邊形，另外的兩個為零矢量，位于六邊形的中心，如圖1（b）所示。通過正確的開關的通斷，可順序形成不斷旋轉的電壓空間矢量，從而在異步電動機氣隙形成旋轉的磁鏈，而通過零矢量的恰當選擇可以控制磁鏈的平均旋轉速度。定子磁鏈Ψμ、轉子磁鏈Ψγ以及轉矩之間Td存在關系:，θ為定子磁鏈與轉子磁鏈之間的夾角，即磁通角，Lσ為轉子漏感。在實際的運行中，為充分利用電動機鐵心，保持定子磁鏈幅值為額定值，而轉子磁鏈幅值由負載的大小決定，要改變電動機轉矩的大小，可以通過改變磁通角θ的大小來實現。在直接轉矩控制技術中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量Us來控制定子磁鏈的旋轉，控制定子磁鏈的走走停停，以改變定子磁鏈的平均旋轉速度的大小，從而改變磁通角θ的大小，以達到控制電機轉矩的目的[1]。

3 高性能DSP TMS320F2812芯片

在直接轉矩控制系統中，DSP芯片是控制器的核心，所有復雜的控制算法和控制策略都通過它來實現。TMS320F2812是Texas公司C28TM系列中最新成員，其高速的運算能力、強大的實時處理能力和高度集成化的設計結構，使得它在控制領域內得到了人們的青睞。下面介紹TMS320F2812主要特點，其結構框圖[2]如圖2所示。

圖2 TMS320F2812功能圖
TMS320F2812的CPU是基于C28xTM的32位定點內核，主頻達150MHz。TMS320F2812芯片具有高度集成的結構，在片內集成大量的外設（如圖2所示），這些外設包括:事件管理器EVA/EVB、16通道12位模數轉換器ADC、看門狗定時器Watchdog、通用輸入輸出引腳GPIO、多通道緩沖串行外設McBSP、改進CAN總線接口、雙通道串行通信接口SCIA/SCIB、串行外設接口SPI等。與C28xTM DSP以前的芯片相比，TMS320F2812有自己的特點:

（1） 它是C2000系列中第一代32位的定點DSP芯片（C24xTM為16位DSP芯片）;
（2） 芯片內部有3個32位定時器;
（3） 具有12位的ADC（以前的為10位）和雙通道SCIA/SCIB;
（4） 有多通道緩沖串行外設McBSP;
（5） 采用改進的哈佛結構和八級流水線作業;
（6） 存儲空間大大擴展，其片內存儲器資源包括:128K字×16位的Flash存儲器、128K字×16位的ROM、1K字×16位的OPT ROM、一塊1K字×16的SARAM、L0和L1上各有8K字×16位的SARAM、M0和M1上各8K字×16的SARAM;
（7） 可以執行32×32位的二進制補碼乘法操作，并產生64位的結果;
（8） 它是C2000系列性能最高的芯片，處理速度達150MIPS，實時處理能力強，能應用于很多復雜的控制算法如無速度傳感器的定向控制、運動輪廓的識別和功率因數的校正等，并且其代碼與以前各個型號的DSP兼容，它也是目前處理C/C++代碼效率最高的DSP芯片（就C2000系列而言）。由于這些特點，TMS320F2812DSP有著廣泛的應用空間。

4 基于TMS320F2812的直接轉矩控制系統

由于DSP的優越性能，它可被用于數字化控制中，現介紹一個基于TMS320F2812 DSP 的直接轉矩控制系統，其方框圖[3]如圖3所示。

圖3 基于DSP的直接轉矩控制系統原理圖
4.1 系統組成及其控制原理

系統主要由交流電源、整流濾波電路、逆變模塊IPM、交流異步電動機M、TMS320F2812DSP芯片、電壓電流檢測電路、PWM脈沖及光耦電路、光電編碼器、鍵盤顯示及上位機組成。

DSP接收到PC上位機發出的輸入信號后，將其轉換為PWM輸出，經過PWM脈沖電路驅動放大后送給逆變器，逆變器的輸出信號接到三相異步電機的定子繞組。從DSP輸出的PWM脈沖可以控制逆變IPM模塊電路的開關狀態，而逆變器開關狀態的改變，可在電機定子上形成旋轉的電壓空間矢量。通過工作電壓空間矢量和零矢量的交替選擇，可以控制定子磁鏈的走走停停，這樣磁通角（定子磁鏈和轉子磁鏈的夾角）的大小也相應地隨之改變，從而達到直接控制電動機轉矩的目的。光電編碼器檢測電機的轉動方向及轉角，其輸出信號反饋回DSP的正交編碼脈沖電路（QEP），形成閉環控制，實時有效地控制電動機。

4.2 系統核心—TMS320F2812 DSP控制器

整個系統以TMS320F2812為核心，所有復雜的控制算法及控制策略都是通過TMS320F2812控制器來實現的。從圖3知，該系統涉及到DSP的大部分集成外設，如:事件管理器EV、串行通訊接口SCI、串行外設接口SPI、模數轉換器ADC、PWM發生模塊以及JTAG仿真接口等。下面簡單介紹各模塊的功能。

（1） 事件管理器EV

它是一個專門為控制系統（運動控制和電機控制）設計的模塊，包括通用定時器（GP）、全比較單元、捕獲單元和正交編碼脈沖電路（QEP）等四個基本單元。在該系統中，利用正交編碼脈沖電路（QEP）對引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（EVB）上的正交編碼脈沖進行解碼和計數，直接處理光電編碼盤的正交編碼脈沖，通過檢測2路信號的相位關系可以判斷電機的位置和速度信息。此外，事件管理器內部有PWM發生電路，可產生PWM波形，用于控制逆變器開關的通斷時間。