基于ARM的交流電機直接轉矩控制系統的設計

崔屹

摘 要：直接轉矩控制是繼矢量控制之后，迅速發展起來的一種新型的高性能的交流變頻調速技術。而伴隨著微電子技術的迅速發展，基于ARM的高性能微處理器的應用越來越廣泛，特別是在機電產品中的應用越來越普遍。因此研究直接轉矩控制嵌入式系統具有廣闊的應用前景和實際應用價值。

關鍵詞：嵌入式系統；直接轉矩控制；S3C2440A；Linux系統

中圖分類號：TM346 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0023-01

本文首先介紹了交流電動機直接轉矩控制的基本原理，在分析交流電動機轉矩的數學模型的基礎上，論述了空間電壓矢量與轉矩和磁鏈之間的關系，并給出了直接轉矩控制系統的基本結構。

1 研究的目的和意義

隨著交流調速系統得到越來越廣泛的應用，交流調速控制理論得到了快速的發展，越來越多的先進的控制方式應用到交流調速中，在交流調速控制方法中，直接轉矩控制具有轉矩響應迅速，且無超調，具有良好的靜動態性能，并且已成功應用于通用變頻器，高鐵電動牽引等系統中，創造了巨大的經濟、社會價值。但是先進的交流調速方法在帶來控制性能改進的同時，對調速控制系統硬件提出了更高的要求[1]。目前國內外對此的研究主要建立在專用DSP控制器平臺上，開發環境和實現方法相對成熟，但成本較高、高頻時鐘的高頻干擾以及功率消耗較大等問題是其明顯的缺點。

2 研究的主要內容

（1）學習研究直接轉矩控制的有關理論與系統實現的各種方法，為設計開發基于ARM的交流電機直接轉矩控制系統打下良好的基礎。（2）建立基于ARM9內核的直接轉矩控制嵌入式系統，主要硬件包括S3C2440A CPU、Nand Flash、Nor Flash、SDRAM、觸摸屏（NEC 3.5 inch）接口、ADC轉換接口、IIC、UART、USB、以太網接口以及GPIO口等。（3）通過分析控制系統對嵌入式硬件的要求和控制系統本身的特點，選擇一款合適的ARM開發板作為目標板，用于系統的快速開發和原型實驗。針對交流直接轉矩控制系統以及目標板的硬件特點，設計并實現輸入接口電路、大功率繼電器輸出驅動電路、標準電流環（4-20mA）傳感器輸入，A/D轉換接口電路以及用PWM模擬D/A轉換的DAC接口轉換電路。（4）通過分析當前主流嵌入式操作系統的特點，選用開源的Linux操作系統，學習研究Linux操作系統內核的編譯和移植，Linux根文件系統的制作和移植，Linux環境下A/D轉換驅動程序的編寫以及在目標板上的移植。（5）在Qtopia嵌入式圖形開發環境下，開發直接轉矩控制系統的圖形界面，將編寫好的驅動程序、圖形界面進行交叉編譯，得到應用程序的嵌入式可執行文件，并移植到目標板上，實現對電機的直接轉矩控制。

3 控制系統程序組成結構

對于直接轉矩控制系統來說，系統軟件是實現控制規律的關鍵部分。本系統采用Linux操作系統，采用多進程技術開發，通過模塊化的設計，完成對兩相電流和母線電壓的AD采樣、直接轉矩基本控制、LCD顯示、與PC機的通信等任務。直接轉矩控制系統軟件主要包括主程序和中斷處理程序兩大部分。主程序完成軟件和硬件的初始化工作、鍵盤和顯示的處理和開中斷等一些工作。中斷服務程序包括主中斷服務程序和功率模塊保護中斷程序。主中斷服務程序主要是完成包括A/D采樣、控制策略實現以及PWM調制信號輸出。功率模塊保護中斷程序主要是處理過壓、過流等故障，對IPM模塊起保護作用[2]。

4 系統實現及應用測試

把設計好的各界面文件（*.ui），以及構造函數（*.h）和實現函數（*.cpp）、main.cpp，用Qt2提供的progen工具生成項目文件（*.pro），然后用qmake工具生成編譯所需的Makefile文件，通過交叉編譯工具linux-gcc對項目下的文件進行交叉編譯通過后，會得到應用程序的可執行文件。把應用程序的可執行文件復制到Qtopia-2.2.0以及根文件系統_qtopia下的opt/qtopia/bin目錄，庫文件和字體文件拷入root-qtopia/opt/qtopia/lib目錄下，應用系統的圖標文件（PNG格式的圖標文件）拷入root-qtopia/opt/qtopia/pics目錄，的.desktop桌面配置文件拷入root-qtopia/opt/qtopia/apps/EmbedSky目錄，利用affs2image工具，把root_qtopia目錄制作成映象文件EmbedSky.img。將BootLoader、linux-2.6.30內核（zImage）、包含應用系根文件系統（qtopia.img）下載到目標板的Nand Flash中，整個應用系統就完成了。

5 結語

本設計的操作系統采用嵌入式Linux操作系統，詳細介紹了PC與開發板之間交叉編譯環境的建立，Uboot的移植，Linux內核的移植、配置與編譯，根文件系統的制做等問題。然后在根文件系統下建立了Qt/Embedded圖形用戶界面，并用編寫C++程序對控制系統的界面進行設計，實現了對電機運行的實時監控。

參考文獻

[1]譚會生.ARM嵌入式系統原理及應用開發[M].西安：西安電子科技大學出版社，2012.

[2]李新峰，何廣生，趙秀文.基于ARM9的嵌入式Linux開發技術系統[M].北京：電子工業出版社，2008.