基于DSP的電機數據采集卡設計
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：對現場參量準確的測量是高性能控制的前提基礎．以電機專用數字控制芯片數字信號處理器TMs320L融407A為例，介紹了電機端量數據采集卡的原理及設計方法來確保檢測的準確性，并將設計的數據卡用于感應電機矢量控制系統的控制，實驗結果表明設計方案的可行性及良好的動靜態特性。
關鍵詞：電機端量；數據采集卡；數字信號處理器；感應電機
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，測量不準確，****的控制算法也不會取得好的控制效果，所以在實現電機高性能控制算法(矢量控制算法、直接轉矩控制算法等)的同時，電機現場參量(如電機端電壓、電流及轉速等)的輸入和數據采集是電機全數字實時控制器單元設計中一個十分重要的環節。
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。但是，低通濾波器的存在會使電機端量信號電壓、電流發生相位移動，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，進而導致控制性能的下降[4]。
本文以德州儀器數字信號處理器TMs320LF2407A在高性能交流電機調速控制中的應用為例，討論了在確保電機控制性能的前提下與之相關的對不同類型、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量的檢測及其輸入通道設計方法以及與處理器的接口技術等。數字信號處理器根據測量結果對交流電機進行控制或者保護，最后將設計的電機端量數據采集卡用于感應電機的矢量控制系統中進行實驗，結果表明該數據卡設計是可行的，可以獲得良好的電機控制性能。而且，這種基于電機參數數據采集卡的設計模式，使得應用平臺對系統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數據采集卡硬件設計
1.1數字量輸入輸出設計
數字量輸入電路主要完成接點狀態(如電機的起動按鈕、停止按鈕)到邏輯信號的變換，與數字信號處理器輸人電平兼容才能被接受和處理。此外，由于給出開關信號的電氣接點有可能處在高壓環境中，電磁干擾也較強，為了隔離現場高壓，同時避免干擾，在接點與數字信號處理器之間還需要可靠的電隔離。因此，數字量輸入電路設計如圖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，還應采用芯片74LVc245將5V電平轉換到3.3 V電平再送到DsP的IOPB口。數字量輸出電路如圖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模擬量輸入輸出設計
用DsP對交流電機進行全數字實時控制時，不僅要檢測開關量信號，更重要的是要檢測電機端電流和電壓波形，它們是實現各種控制算法和保護動作的原始依據。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轉換器只能接受幅值在一定范圍內(O～3.3 V)變化的電壓信號，因此模擬量輸入通道的設計應考慮濾除干擾、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。
電流檢測通道設計如圖3所示。采用LEM公司生產的電流傳感器LAl08-P(供電 |
