串行通信在永磁同步電機控制系統中應用

0 引 言

TMS320LF2407是TI公司開(kāi)發(fā)的、適用于電機控制的數字信號處理器（DSP），在原有DSP內核的基礎上添加了脈寬調制（PWM）、A／D、D／A模塊，從而實(shí)現對電機系統的全數字控制。它在電機控制系統中得到了廣泛應用，并取得了明顯效果。在開(kāi)發(fā)一套以DSP為核心的永磁同步電機控制系統時(shí)，需要及時(shí)觀(guān)察驅動(dòng)系統中的各個(gè)變量，同時(shí)還要對一些程序進(jìn)行控制，修改特定參數。DSP在實(shí)際運行中不能用外接的端口進(jìn)行控制，需要用DSP自帶的串行通信模塊來(lái)解決這一問(wèn)題。通過(guò)一臺上位計算機和以DSP為核心的電機控制系統構成整個(gè)監控系統，Pc機通過(guò)串口來(lái)改變DSP程序中轉矩、磁鏈給定，以及調節PI參數等，電機控制系統完成對電機的控制，并采集相關(guān)數據反饋到Pc機中進(jìn)行分析、處理、顯示和存儲。本文以DSP控制永磁同步電機為例，介紹在整個(gè)控制系統中串行通信的實(shí)現。

1 永磁同步電機控制系統

永磁同步電機控制系統框圖如圖1所示，采用直接轉矩控制方法，這是19世紀80年代提出的交流電機高性能控制策略。本控制系統是一個(gè)速度和轉矩的雙閉環(huán)控制系統。系統利用電壓、電流傳感器檢測直流母線(xiàn)電壓Vdc。及定子二相電流i 和i ，通過(guò)坐標變換將定子三相坐標系中的電壓、電流變量轉換為α-β靜止定子坐標系中的二相分量。將由磁鏈及轉矩觀(guān)測器得到的定子磁鏈、轉矩實(shí)際值作為反饋量，與磁鏈、轉矩給定值進(jìn)行比較，所得到的誤差信號通過(guò)磁鏈、轉矩調節器的滯環(huán)控制單元后，獲得0、1控制信號，再綜合考慮當前定子磁鏈所在的區域，選擇適當的電壓空問(wèn)矢量控制定子磁鏈的旋轉速度及方向，即可直接快速地實(shí)現轉矩調節。

如果試驗人員能夠及時(shí)地觀(guān)測并調節轉矩、磁鏈、電壓、電流等控制參數，將會(huì )極大地提高電機控制系統的開(kāi)發(fā)效率。

2 串行通信的實(shí)現

PC機與DSP串行通信的實(shí)現包括三個(gè)部分，即硬件設計、上位機程序設計、下位機程序設計。

2．1 串行通信硬件設計

從本試驗平臺實(shí)際需要考慮，采用RS-232實(shí)現PC機與DSP的數據傳輸?，F在RS。232的通信端口是每臺計算機上的必要配置，通常含有COM1和 COM2兩個(gè)端口，所以能很方便地把上位機與下位機連接起來(lái)，實(shí)現計算機對生產(chǎn)現場(chǎng)的監測和控制。圖2是TMS320LF2407串行通信接1：1電路 [1]。該電路采用了符合RS-232標準的驅動(dòng)芯片MAX232進(jìn)行串行通信。MAX232芯片功耗低，集成度高，+5 V供電，具有2個(gè)接收和發(fā)送通道。由于TMS320LF2407采用+3．3 V供電，需要將5 V的1tI1L電平變換為3．3 V高電平，整個(gè)接口電路簡(jiǎn)單，可靠性高。

2．2 上位機程序設計

Delphi是一種面向對象的可視化編程工具，擁有功能強大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和速度極快的編譯器，兼具Visual C++的強大功能和VB易學(xué)易用的特點(diǎn)。通過(guò)安裝MSComm控件，可在Delphi環(huán)境下方便地實(shí)現串行通信[2]。MSComm提供了兩種處理通信問(wèn)題的方法：一種是事件驅動(dòng)法，一種是查詢(xún)法。本系統選用事件驅動(dòng)法，該方法程序響應及時(shí)，可靠性高。只要了解使用MSComm的屬性及事件的用法就可以實(shí)現對串口的操作。

其主要屬性有 ：

（1）eommport屬性，用于設置并返回連接的串行端口號；
（2）settings屬性，以字符形式設置并返回串口的波特率、奇偶校驗、數據位、停止位參數；
（3）po～open屬性，用于設置或返回通信連接端口的狀態(tài)；
（4）input屬性，用于從輸入緩沖區返回并刪除字符；
（5）output屬性，用于將要發(fā)送的數據輸入傳輸緩沖區；
（6）inputlen屬性，用于指定由串行端I：I讀入的字符串長(cháng)度或字節數；
（7）handshaking屬性，用于指定通信雙方的握手協(xié)議；
（8）rthreshold屬性，用于設置或返回引發(fā)接收事件的字節數；
（9）sthreshold屬性，用于設置并返回傳輸緩沖區中允許的最小字符數；
（10）commevent屬性，在通信錯誤或事件發(fā)生時(shí)都會(huì )產(chǎn)生oncomm事件；
（11）inbufercount屬性，用于接收緩沖區中的字符數；
（12）inputmode屬性，用于設置或返回input屬性取回數據的類(lèi)型。

程序設計中首先要對MSComm進(jìn)行初始化，可以雙擊MSComm控件設置，也可以在程序中修改。

本系統根據需要自行設計了通信協(xié)議。[next]

（1）幀分為兩類(lèi)，即控制幀和數據幀?？刂茙瑸樯衔粰C發(fā)出的控制命令，數據幀為上、下位機的實(shí)時(shí)數據。

（2）上位機對下位機通信中的控制幀，格式都是一個(gè)字節，定義如下：AA為下位機發(fā)送數據；AB為下位機接收數據；AC為下位機停止發(fā)送

（3）數據幀為兩個(gè)字節，數據范圍是0～65535，滿(mǎn)足了數據要求。

例如，把電機磁鏈設置為200，該通信命令由4個(gè)字節組成，數據格式為AB0400C8。其中：AB為控制幀，04代表磁鏈，00C8為數據幀。每個(gè)字節包含1個(gè)起始位、1個(gè)停止位、8個(gè)數據位，這些都是隱藏在底層程序中的，在實(shí)際應用中用戶(hù)只需在通信界面上設置磁鏈值200，然后單擊“n發(fā)送”按鈕即可實(shí)現該命令。圖3為PC機發(fā)送數據流程圖。

2．3 下位機程序設計

TMS320LF2407中包含一個(gè)串行通信模塊（SCI），SCI的寄存器是8位的?？删幊痰腟C1支持CPU和其他使用標準非歸零（NRZ）格式的異步外設之間的串行數字通信，SCI的接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每個(gè)都有它自己的獨立使能和中斷位。波特率可以通過(guò)一個(gè)16位的波特率選擇寄存器進(jìn)行編程。為了保證串行通信的成功，在通信前必須對DSP的SCI模塊進(jìn)行初始化，設置通信的波特率、奇偶校驗、停止位及每個(gè)字節包含的位數等，這些參數的設置必須與PC機上的設置一致，否則會(huì )引起傳輸錯誤。在DSP與PC機的通信中，對于DSP來(lái)說(shuō)，通信的主要功能是接收Pc機傳來(lái)的數據和發(fā)送數據給Pc機?？刹捎貌樵?xún)和中斷兩種方式接收數據，查詢(xún)方式需要程序循環(huán)檢測通信端口，浪費DSP資源，因此本系統接收數據時(shí)采用中斷方式；但在發(fā)送數據時(shí)由于要發(fā)送的數據比較多，如果也用中斷方式就會(huì )干擾到電機的控制，電機不能平穩運行，因此采用查詢(xún)方式。在中斷子程序中設置發(fā)送標志位，通過(guò)在主程序中查詢(xún)該標志位來(lái)決定是否發(fā)送數據。在發(fā)送數據過(guò)程中，下位機需要發(fā)送多組數據，每組數據對應不同的電機參數，如何正確區分這些數據是通信能否成功的關(guān)鍵。本系統利用已設定的下位機發(fā)送參數的順序、MSComm控件的inputlen屬性及rthreshold屬性的配合使用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。另外下位機接收和發(fā)送寄存器是8 位的，需要設定標志變量來(lái)區分、合并高低字節。圖4為下位機通信程序框圖。

3 試驗結果

利用DSP的SCI模塊和MSComm控件可以方便地實(shí)現DSP與Pc機的串行通信。本文所介紹的設計方法已在Pc機和以TMS320LF2407為核心的直接轉矩控制系統試驗平臺上進(jìn)行了驗證，結果表明：可以通過(guò)Pc機對永磁同步電機進(jìn)行控制。圖5為上位機監控界面，它包括參數發(fā)送和數據采集兩部分，可以顯示速度、磁鏈、轉矩的給定值和實(shí)際值，便于用戶(hù)比較。圖6為永磁同步電機空載運行時(shí)的速度觀(guān)測圖。其中：直線(xiàn)代表速度給定值，曲線(xiàn)是速度實(shí)際值。速度給定值為500 r／min，通過(guò)轉速表測量，轉速為499r／min，從圖中可以看出速度以極小的誤差圍繞給定值波動(dòng)，證明了轉速能被很好地控制住。圖7為磁鏈標幺值的給定值與實(shí)際值比較圖，磁鏈給定值為200，DSP中采用Q12格式，最后經(jīng)過(guò)計算反饋到上位機時(shí)應為0．2，直線(xiàn)是給定值，曲線(xiàn)是實(shí)際值，在圖中可以看出超調量很小，磁鏈參數也能準確地反饋到Pc機上，與試驗預期結果相符。

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4 結 語(yǔ)

采用PC機與DSP的主從式結構，既能發(fā)揮DSP的數據處理能力，又具有良好的人機接口，這極大地方便了系統的開(kāi)發(fā)調試。DSP和PC機串行通信可以實(shí)現下位機參數實(shí)時(shí)上傳，使用戶(hù)隨時(shí)掌握電機狀態(tài)性能；通過(guò)上位機在線(xiàn)修改DSP的程序，使電機按照要求運行，實(shí)現對電機的全數字化實(shí)時(shí)控制。本文所解決的關(guān)鍵難題為下一步實(shí)現電機控制系統性能的在線(xiàn)監測奠定了基礎。