5.1全数字直接转矩控制调速系统结构
直接转矩控制调速系统由主回路和控制回路构成。众所周知，IGBT脉宽调制电压型逆变器以其结构简单、体积小、重量轻等诸多优点在高性能交流传动领域得到了广泛的应用，本系统采用了它作为主电路来完成功率放大作用。另外，在直接转矩控制方案中，转矩控制的数字化是关键，其响应的快速性在控制上对微处理器的速度和功能提出了很高的要求。美国TI公司1997年推出的16位数字信号处理器TMS320F240芯片，具有相当快的数字运算能力和丰富的输入输出设备及接口电路，因而本系统选用它作为核心控制器件来组成控制回路，整个系统结构框图如图5-1所示。
图5-1 系统整体结构图
§5.2 硬件电路设计
5.2.1 驱动电路设计
本系统IGBT的驱动采用日本富士通公司生产的专用混合IC模块EXB840，它与IGBT的连接如图5-2所示。EXB840属于高速系列，驱动电路信号延时最大不超过1.5us，有利于减小互锁延时的设置，也可减小保护电路动作的延时时间。它内部设有信号隔离、过流检测、低速过流切断和栅关断电压等功能。在实际应用中，应注意以下几点：
1.驱动模块应尽可能地靠近它自己的功率模块，以缩短栅射级回路的接线。
2.在驱动模块所在的驱动板上布线时，应考虑到各模块和同一模块各管脚之间存在强电联系，并保持一定的距离。
3.由于是高频操作，驱动电阻RG的选取较推荐值也稍大。
图5-2 EXB840与IGBT的接线图
5.2.2 控制电路设计
1. 控制电路构成及工作原理
在第四章第二节所介绍的开发机装置硬件组成的基础上，F240芯片通过外接EPROM、RAM、晶体振荡器和地址译码电路及必要的外围接口电路，即可方便地构成直接转矩调速系统的控制电路。在程序调试时，程序存储器（EPROM或EEPROM芯片）用来存放监控程序，而真正的直接转矩控制程序（机器码）则通过上位机由串口传送到RAM中。GAL芯片完成地址译码，MAX233芯片用于实现TTL电平和CMOS电平之间的转换。
控制电路的工作原理如下：通过检测两相电流Ia，Ib及电机转子转速n，由§2.3给出的公式确定磁链调节器和转矩调节器的输出，然后查开关模式表实时发出6路PWM脉冲，此脉冲经驱动电路控制相应功率管的开通与关断，从而达到调速的目的。
2. 速度信号的检测
传动系统往往要求有高精度的速度检测元件。光电脉冲编码器是一种能直接把角位移转换成数字信号的检测元件，在数字式控制系统中应用十分广泛[26]。光电脉冲编码器一般分增量式和绝对式两种，本系统采用增量式光电编码器作为速度检测器件。它输出两个相位相差90°的方波脉冲信号PA，PB及其非信号PA*，PB*和一个零脉冲PZ信号，其中PZ脉冲每转只出现一次，用于调整电气和机械的零位，在本调速系统中没有用到。其它各信号每转发出2500个脉冲，为了提高分辨率，常常需对这些信号进行倍频处理。本系统对速度信号的处理电路如图5-3所示。
图5-3 速度检测电路原理图
图中，信号的接收采用75175差动接收器，然后用光电耦合器PC900对接收信号与控制电路进行隔离；由于F240的正交编码脉冲单元（QEP）能够将差动信号四倍频（如图5-4所示），所以上图中两路光电耦合器的输出信号直接送入F240芯片QEP单元的输入引脚4P＋与4P－，通过设置QEP单元相关寄存器的值，并利用F240片内的通用定时器T3对输入脉冲进行计数，就可以确定相应的转速值。
图5-4 正交编码脉冲单元将差动信号四倍频
3. 交流电压的检测－间接检测法
在直接转矩控制系统中，作为状态变量的磁通和转矩是由三相相电压、相电流检测值经过一系列的运算后得到的。感应电机交流定子电压的检测方法很多，常用的有光电耦合直接检测法和LEM电压传感器检测法两种。后者虽然检测性能优良，但价格较高；前者则响应较慢，线性度也难以保证。所以，在实际中采用的是间接测压方法。其理论依据是：根据瞬时空间矢量理论，在不考虑逆变器死区效应的情况下，三相交流电压可由直流母线电压和开关状态信息共同得到。本系统选用的是LEM电流霍尔元件测压法，即由霍尔元件串一电阻再并接到直流电压上，通过F240芯片提供的片内A/D来检测霍尔元件感应的电流大小，从而确定直流侧电压，达到检测三相交流电压的目的。
4. 定子电流的检测
定子电流由霍尔传感器检测。本系统选用F240芯片提供的两个片内A/D转换器，分别对A相和B相定子电流进行采样，从而获得合成的定子电流信息。
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