自动化学科概论范文Word版

基于DSP2812的电机控制开发平台的监控系统韶关学院自动化系林俊盛宁宇摘要本文以PC机作为上位机，DSP2812为下位机，用VB实现了感应电动机矢量控制数字开发平台的系统监控。

首先，构建了基于DSP2812的异步电动机矢量控制系统C语言应用软件，包括SVPWM信号产生及驱动使能控制、速度检测及速度PID调节器、CLARKE变换等模块。

其次，在CCS实时模式下采用模块化分步递增调试方法在电动机实验平台上进行了调试。

最后,为了在PC上实时地、可视化地控制异步电机的运行，通过DSP和PC 串口通信，用VB设计实现了异步电动机矢量控制的运行监控系统，包括监控系统的功能分析，上下位机的通讯格式设计，DSP SCI通信模块和PC读取数据并绘制磁链轨迹的实现方法等。

实验结果表明，本系统易于在线设置、修改参数，实时观测运行控制变量的数据和图形。

实现方法简单可靠，大大提高了实验开发平台的开发效率，改善了实验开发平台的安全稳定性能。

关键词DSP2812；矢量控制；异步电动机；监控系统1 引言电力电子与电机驱动控制技术是实现节能与新能源利用的关键技术之一。

电动机数字控制开发平台是电力电子与电机驱动控制系统高性能高效率开发必不可少的核心设备。

但电动机DSP数字控制开发平台用CCS软件调试时易受干扰，在线设置参数DSP系统出现暂停工作等现象。

CCS环境下用示波器观察变量和波形时，为确保整个系统的可靠性，还需增添庞大的隔离电源及其它测试硬件。

本文在数字控制开发平台上实现了异步电动机矢量控制系统，并以PC机作为上位机，DSP2812为下位机，用VB串行通信实现了电动机数字控制实验开发平台的系统监控，有效提高了开发平台的可靠性，为最终实现电动机开发平台功能测试的模块化和自动化奠定了基础。

2 SVPWM的原理及数字化算法实现电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）是现代交流电动机控制的核心技术。

它根据三相电压逆变器的3个逆变桥开关管不同组合输出不同的脉冲来控制交流异步电机，在电机定子绕组生成三相正弦交流电流，控制原则是每个桥臂互补工作。

图2-1 主回路控制电路图2-2 空间矢量合成空间矢量PWM目的是得到空间任意幅值和位置的电压矢量，用8个电压矢量进行不同的组合来逼近所给定的参考空间电压矢量。

对于三相电压源型逆变器的6个开关管，有“1”和“0”分别代表上下桥臂的开关状态，则开关信号有8种组合，1(001) 2(011) 3(010) 4(110) 5(100) 6(101) 7(111) 0(000)U U U U U U U U 这8种组合分别产生8种电压向量。

其中U 0，U 7为零向量，6个非零向量构成六边形，并将六边形分为6个扇区(如图2-2)。

空间电压矢量法即是通过选取同一扇区中相邻两个非零矢量和适当的零矢量合成一个等效的空间旋转电压矢量out U （该电压向量在空间上理想轨迹是一个圆），调控out U 的频率，幅值和相位，即可实现逆变器输出电压频率、幅值和相位的控制。

3 异步电动机矢量控制技术[1]三相交流异步电机是一个高阶，多变量、强耦合的非线系统。

矢量控制的基本思想就是交流电机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制。

以产生等效旋转磁动势为准则采用坐标变换的方法，将原来三相固定的坐标系( )A B C 下电机电流 a b c I I I 变换到两相正交且按转子旋转磁场定向的坐标系( )d q 下，便等效成为一台直流电动机。

图3-1 异步电机矢量控制系统4 矢量控制软件及串行通信模块化的实现矢量控制系统包含12个软件模块，图4-1给出了系统的功能模块划分和模块间的相互关系。

本文用Ｃ语言设计并实现了所有软件模块。

其中DSP 串口通信模块如下图4-2所示。

图4-1 DSP 串行通信模块定义SCI 结构体:typedef struct { int16 s_counter; //变量:采样计数int16 r_counter; //变量:接收数据计数int16 data_input1; //输入单变量：int16 data_input2; //输入双变量:用于磁链环双输入int16 select_data; //输入变量:采样数据选择char *d; //输出;指向接收缓存区指针int16 scirx_flag; //变量:SCI下位机接收到使能标志int16 scitx_flag1; //变量:SCI上位机发送请求标志int16 scitx_begin; //变量:采样使能发送标志标志int16 scitx_counter; //变量:采样发送计数char *s_d; //输出;指向发送缓存区指针void (*init)(); //SCI寄存单元初始化函数指针void (*send)(); //发送数据函数指针void(*reads)(); //接收数据函数指针}SCI_function;在SCI串行通信模块中，输入变量Select_data 为采样数据的选择如：速度、电流、SVPWM 为判断为单变量；而磁链判断为两个变量同时输入。

Buff1[]为命令接收缓存区，当控制命令招收完整后通过Data_re读取数据；Buff2[]为采样数据缓存区，当采样数据完成后通过Data_s数据装载到SCI数据发送寄存器。

由于DSP运算通常采用Q15定点格式，而串口以8位二进制数最大255传输数据带来不便如：数据分两次传输，数据量减少一半，上位机接收错误率增加。

在数据达到控制精度，曲线不失真的前提，对数据进行缩小为8位二进制数。

由采样变量有（电压、电流，转速,磁链,SVPWM的参考电压波形），对于多个变量组合的数据采用数据标志编排顺序，从而达到上下位数据正确、完整性。

接收到完整的控制命令后，下位读取数据，判断相应的功能，修改/刷新参数。

5 监控系统设计与实现5.1 监控系统的总体结构图5-1 系统总框架异步电动机开发平台的监控系统的功能首先是设定调试工作模式。

异步电动机矢量控制系统采用增量式逐步调试模式。

主要有电压开环即PWM产生模式，电流检测和速度检测模式，转矩闭环模式，速度闭环模式等。

通过VB监控系统设置算法模式、给定变量参数、采样变量等控制状态发送到下位机，DSP接收到控制数据进行分析，做出相应的控制，使电机按照控制指令运行。

同时，整个控制系统的运行参数,如电压、电流转速、转矩、磁链、SVPWM的参考电压波形,转角等由DSP 采集获取后，经由DSP 串口发送回上位机(PC)串口，由上位机监控程序显示和绘制曲线，完成控制、监视、保存记录的功能。

5.2 监控界面设计本系统是利用VB6.0开发，该界面包括三大部分（如图5-2）：VB监控界面控制状态设定参数设置接收数据电机启停控制算法模式给定速度电机正反转算法参数设置显示坐标参数采样模式显示数据绘制曲线保存数据图片曲线坐标查询图5-2 监控界面组成控制命令设定部分（电机启停、正反转、设定转速、控制模式：开环/PID/模糊算法）；参数设置部分（算法参数设置：PID 算法中Kp 、Ki 、Kd 设置，坐标系参数对显示图片缩放，采样数据模式：电流、转速、磁链、SVPWM 的参考电压波形）；接收数据部分（显示/保存数据、绘制曲线、查询坐标）。

监控系统界面如图5-4。

图5-3 SVPWM 参考电压波形5.3 上位机读取数据及绘制曲线5.3.1 SVPWM 、电流环、速度绘制曲线： 由该数据是单变量与时间有关，采样定点画 线函数：Picture1.PSet (0, now_value)Picture1.Line -(time_counter, Data(time_counter)), vbRed 5.3.2 磁链环：下位机以极坐标的形式传输两个变量（,Us θ），按约定的顺序编排数据包；上位机以接收协议来解释数据包，再进行极坐标系转换为直角坐标绘制曲线。

极坐标的形式：12()1(5-1)i w t s s s s u dt w u eπψψ+=⇒=⎰直角坐标形式： (cos sin *)(5-2)s s s s s u dt u u i T ψψθθ=⇒∆=+⎰T 为采样时间调用定点函数：Picture1.PSet (buf(j + 1) * Cos(buf(j) * 6.28 / 255) + 200, buf(j +1) * Sin(buf(j) * 6.28 / 255) + 200), vbRed调用画线函数Picture1.Line -(buf(j + 1) * Cos(buf(j) * 6.28 / 255) + 200, buf(j + 1) * Sin(buf(j) * 6.28 / 255) + 200), vbRed控制数据完整?设置控制状态接收状态?发送状态?读取保存数据建立应答设置状态等待接收完毕?发送控制状态设置接收状态子程序返回NYNNYN Y图5-4 上位机发送控制状态流程 图5-5 监控软件界面 5.4 通信协议：通信协议是指通信双方的一种约定。

约定包括对数据模式、同步方式、传送步骤、检纠错方式及控制字符定义等问题作出统一规定。

5.4.1 数据接收协议：采样数据信息的传输以二进制形式，传输数据包时需要通信双方达成一致。

数据协议格式：开始位采样模式 数据包校验位 停止位信息数据功能描述开始位 % 采样数据开始标志 采样模式 1~5 上位机识别采样的数据模式数据包 0~255 采样数据 校验位 800 计算数据量是否为800 停止位！表示该数据已传输完成5.4.2 数据发送协议：开始位控制权位 电机启停位算法模式 给定速度 采样模式 结束位控制位 控制字 功能描述 开始 ‘%’ 标志传输控制指令开始 结束 ‘！’ 保证传输数据的完整性 电机启停 ‘1’/’0’ 1表示电机启动/0停止 算法模式‘1’/’2’/’3’1:开环/2:PID/3:模糊算法6 总结本文已成功实现了异步电动机的矢量控制及其系统监控。

与其它系统相比，实用性强，功能完整，可设置、修改程序，应用于异步电动机转速调节、监控、数据记录等，并且上位机界面友好，使用方便。

实验结果表明，PC机能够对异步电机实行实时监控，它大大提高了运行时的稳定性。

参考文献[1]陈伯时，电力拖动自动控制系统（第三版），机械工业出版社，2006[2]高国琴，微型计算机控制技术，机械工业出版社，2006[3]万山明，TMS320F281X DSP原理及应用实例，北京航空航天大学出版社，2007[5]谭浩强，C程序设计（第三版），清华大学出版社，2005[6]Texas Instruments， ACI3-3 System Document C2000 Foundation Software，2005（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。