基于DSP的电机数据采集卡设计
刘述喜1，王明渝2
(1重庆工学院，重庆400050；2重庆大学，重庆400044)
摘要：对现场参量准确的测量是高性能控制的前提基础．以电机专用数字控制芯片数字信号处理器TMs320L融407A为例，介绍了电机端量数据采集卡的原理及设计方法来确保检测的准确性，并将设计的数据卡用于感应电机矢量控制系统的控制，实验结果表明设计方案的可行性及良好的动静态特性。
关键词：电机端量；数据采集卡；数字信号处理器；感应电机
中图分类号：TM346 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)12—0022—04
0引 言
众所周知，测量是控制的基础，测量不准确，****的控制算法也不会取得好的控制效果，所以在实现电机高性能控制算法(矢量控制算法、直接转矩控制算法等)的同时，电机现场参量(如电机端电压、电流及转速等)的输入和数据采集是电机全数字实时控制器单元设计中一个十分重要的环节。
交流电机通常由电压源型逆变器供电，电机端电压波形是一个方波信号，它含有丰富的谐波成分，在进行A／D转换前必须滤除这些谐波成分：此外，在一定的A／D采样频率下，为了防止信号混叠，也必须滤除频率比二分之一采样频率高的谐波成分。低通滤波器可以完成这些任务。但是，低通滤波器的存在会使电机端量信号电压、电流发生相位移动，相位误差的存在使得测量值偏离实际值，从而造成测量误差，进而导致控制性能的下降[4]。
本文以德州仪器数字信号处理器TMs320LF2407A在高性能交流电机调速控制中的应用为例，讨论了在确保电机控制性能的前提下与之相关的对不同类型、不同物理属性的电机运行参量进行测量的方法，主要是各种模拟量和开关量的检测及其输入通道设计方法以及与处理器的接口技术等。数字信号处理器根据测量结果对交流电机进行控制或者保护，最后将设计的电机端量数据采集卡用于感应电机的矢量控制系统中进行实验，结果表明该数据卡设计是可行的，可以获得良好的电机控制性能。而且，这种基于电机参数数据采集卡的设计模式，使得应用平台对系统的控制和检测非常灵活，可用于大部分电机和电源的控制策略。
1数据采集卡硬件设计
1.1数字量输入输出设计
数字量输入电路主要完成接点状态(如电机的起动按钮、停止按钮)到逻辑信号的变换，与数字信号处理器输人电平兼容才能被接受和处理。此外，由于给出开关信号的电气接点有可能处在高压环境中，电磁干扰也较强，为了隔离现场高压，同时避免干扰，在接点与数字信号处理器之间还需要可靠的电隔离。因此，数字量输入电路设计如图1所示，采用光电隔离芯片TLP52l一4，其输出DsPINo～4为5 v电平，由于DsP为3.3 V供电，考虑电平兼容的问题，还应采用芯片74LVc245将5V电平转换到3.3 V电平再送到DsP的IOPB口。数字量输出电路如图2所示，DsP输出信号先通过74Hc 45电平变换后再经光电耦合隔离送往外部的输出口以控制接触器的闭合与断开。
1．2模拟量输入输出设计
用DsP对交流电机进行全数字实时控制时，不仅要检测开关量信号，更重要的是要检测电机端电流和电压波形，它们是实现各种控制算法和保护动作的原始依据。由于电机采用电压源型逆变器供电，输出电压为方波，含有丰富的谐波，电流波形也是含有高次谐波的毛刺形状。TMS320LF2407ADsP集成的A／D转换器只能接受幅值在一定范围内(O～3.3 V)变化的电压信号，因此模拟量输入通道的设计应考虑滤除干扰、极性变换和幅值变换等三个因素，然后把得到的电压信号送人A／D转换器，以便DsP采样处理。在采用低通滤波器滤除高次谐波时，应尽量减少输出、输入信号的相位移，使检测值逼近真实值。
此外，由于控制系统通常工作在电流受控的条件下，所以与电机电流基波分量相比，它的谐波分量所占据的比重要小得多。而且，电流受控PwM逆变器往往要求很宽的电流反馈带宽以实现快速、准确的电流控制，所以电流反馈通道低通滤波器的截止频率往往都是采样频率的整数倍，这样才能避免电流采样误差[4]。在这么高的截止频率下，由低通滤波器引起的基波电流的相移就很小，电流测量通道可以不采取相位补偿措施。
电流检测通道设计如图3所示。采用LEM公司生产的电流传感器LAl08-P(供电 |
