串行通信在永磁同步电机控制系统的应用

摘要：为了使电机驱动系统具有良好的人机交流功能，设计了一套针对永磁同步电机控制的监控系统。该系统以PC机为主机、数字信号处理器（DSP）为从机，采用MSComm控件自行设计了上位机程序、下位机程序及通信协议，最后实现了上位机对整个控制系统的可靠监控。
关键词：串行通信；永磁同步电机；监控
Application of Serial Data Communication in PM SM Control System
CU／Jie-fan， MU Gang， WAN Jun-zhu， WANG He—min
（Shenyang University of Technology，Shenyang 1 1 0023，China）
Abstract：In order to make motor drive system had a better man—machine interface function，a monitor system about PMSM control was designed．In this system ，PC was a host computer and DSP was a substrate machine． Using MSComm was a major method．The host computer procedure，substrate machine program and communication protocol
were designed．At last，the host computer realized a credible monitoring to PMSM control system．
Key words：serial data communications；permanent magnet synchronous motor（PMSM）；monitoring
0 引 言 
      TMS320LF2407是TI公司开发的、适用于电机控制的数字信号处理器（DSP），在原有DSP内核的基础上添加了脉宽调制（PWM）、A／D、D／A模块，从而实现对电机系统的全数字控制。它在电机控制系统中得到了广泛应用，并取得了明显效果。在开发一套以DSP为核心的永磁同步电机控制系统时，需要及时观察驱动系统中的各个变量，同时还要对一些程序进行控制，修改特定参数。DSP在实际运行中不能用外接的端口进行控制，需要用DSP自带的串行通信模块来解决这一问题。通过一台上位计算机和以DSP为核心的电机控制系统构成整个监控系统，Pc机通过串口来改变DSP程序中转矩、磁链给定，以及调节PI参数等，电机控制系统完成对电机的控制，并采集相关数据反馈到Pc机中进行分析、处理、显示和存储。本文以DSP控制永磁同步电机为例，介绍在整个控制系统中串行通信的实现。
1 永磁同步电机控制系统
      永磁同步电机控制系统框图如图1所示，采用直接转矩控制方法，这是19世纪80年代提出的交流电机高性能控制策略。本控制系统是一个速度和转矩的双闭环控制系统。系统利用电压、电流传感器检测直流母线电压Vdc。及定子二相电流i 和i ，通过坐标变换将定子三相坐标系中的电压、电流变量转换为α-β静止定子坐标系中的二相分量。将由磁链及转矩观测器得到的定子磁链、转矩实际值作为反馈量，与磁链、转矩给定值进行比较，所得到的误差信号通过磁链、转矩调节器的滞环控制单元后，获得0、1控制信号，再综合考虑当前定子磁链所在的区域，选择适当的电压空问矢量控制定子磁链的旋转速度及方向，即可直接快速地实现转矩调节。
      如果试验人员能够及时地观测并调节转矩、磁链、电压、电流等控制参数，将会极大地提高电机控制系统的开发效率。

2 串行通信的实现
      PC机与DSP串行通信的实现包括三个部分，即硬件设计、上位机程序设计、下位机程序设计。
2．1 串行通信硬件设计
      从本试验平台实际需要考虑，采用RS-232实现PC机与DSP的数据传输。现在RS。232的通信端口是每台计算机上的必要配置，通常含有COM1和COM2两个端口，所以能很方便地把上位机与下位机连接起来，实现计算机对生产现场的监测和控制。图2是TMS320LF2407串行通信接1：1电路[1]。该电路采用了符合RS-232标准的驱动芯片MAX232进行串行通信。MAX232芯片功耗低，集成度高，+5 V供电，具有2个接收和发送通道。由于TMS320LF2407采用+3．3 V供电，需要将5 V的1tI1L电平变换为3．3 V高电平，整个接口电路简单，可靠性高。

2．2 上位机程序设计
      Delphi是一种面向对象的可视化编程工具，拥有功能强大的集成开发环境和速度极快的编译器，兼具Visual C++的强大功能和VB易学易用的特点。通过安装MSComm控件，可在Delphi环境下方便地实现串行通信[2]。MSComm提供了两种处理通信问题的方法：一种是事件驱动法，一种是查询法。本系统选用事件驱动法，该方法程序响应及时，可靠性高。只要了解使用MSComm的属性及事件的用法就可以实现对串口的操作。
其主要属性有 ：
      （1）eommport属性，用于设置并返回连接的串行端口号；
      （2）settings属性，以字符形式设置并返回串口的波特率、奇偶校验、数据位、停止位参数；
      （3）po～open属性，用于设置或返回通信连接端口的状态；
      （4）input属性，用于从输入缓冲区返回并删除字符；
      （5）output属性，用于将要发送的数据输入传输缓冲区；
      （6）inputlen属性，用于指定由串行端I：I读入的字符串长度或字节数；
      （7）handshaking属性，用于指定通信双方的握手协议；
      （8）rthreshold属性，用于设置或返回引发接收事件的字节数；
      （9）sthreshold属性，用于设置并返回传输缓冲区中允许的最小字符数；
      （10）commevent属性，在通信错误或事件发生时都会产生oncomm事件；
      （11）inbufercount属性，用于接收缓冲区中的字符数；
      （12）inputmode属性，用于设置或返回input属性取回数据的类型。
      程序设计中首先要对MSComm进行初始化，可以双击MSComm控件设置，也可以在程序中修改。
      本系统根据需要自行设计了通信协议。
      （1）帧分为两类，即控制帧和数据帧。控制帧为上位机发出的控制命令，数据帧为上、下位机的实时数据。
      （2）上位机对下位机通信中的控制帧，格式都是一个字节，定义如下：AA为下位机发送数据；AB为下位机接收数据；AC为下位机停止发送
      （3）数据帧为两个字节，数据范围是0～65535，满足了数据要求。
      例如，把电机磁链设置为200，该通信命令由4个字节组成，数据格式为AB0400C8。其中：AB为控制帧，04代表磁链，00C8为数据帧。每个字节包含1个起始位、1个停止位、8个数据位，这些都是隐藏在底层程序中的，在实际应用中用户只需在通信界面上设置磁链值200，然后单击“n发送”按钮即可实现该命令。图3为PC机发送数据流程图。

2．3 下位机程序设计
      TMS320LF2407中包含一个串行通信模块（SCI），SCI的寄存器是8位的。可编程的SC1支持CPU和其他使用标准非归零（NRZ）格式的异步外设之间的串行数字通信，SCI的接收器和发送器是双缓冲的，每个都有它自己的独立使能和中断位。波特率可以通过一个16位的波特率选择寄存器进行编程 。为了保证串行通信的成功，在通信前必须对DSP的SCI模块进行初始化，设置通信的波特率、奇偶校验、停止位及每个字节包含的位数等，这些参数的设置必须与PC机上的设置一致，否则会引起传输错误。在DSP与PC机的通信中，对于DSP来说，通信的主要功能是接收Pc机传来的数据和发送数据给Pc机。可采用查询和中断两种方式接收数据，查询方式需要程序循环检测通信端口，浪费DSP资源，因此本系统接收数据时采用中断方式；但在发送数据时由于要发送的数据比较多，如果也用中断方式就会干扰到电机的控制，电机不能平稳运行，因此采用查询方式。在中断子程序中设置发送标志位，通过在主程序中查询该标志位来决定是否发送数据。在发送数据过程中，下位机需要发送多组数据，每组数据对应不同的电机参数，如何正确区分这些数据是通信能否成功的关键。本系统利用已设定的下位机发送参数的顺序、MSComm控件的inputlen属性及rthreshold属性的配合使用来解决这个问题。另外下位机接收和发送寄存器是8位的，需要设定标志变量来区分、合并高低字节。图4为下位机通信程序框图。

3 试验结果
      利用DSP的SCI模块和MSComm控件可以方便地实现DSP与Pc机的串行通信。本文所介绍的设计方法已在Pc机和以TMS320LF2407为核心的直接转矩控制系统试验平台上进行了验证，结果表明：可以通过Pc机对永磁同步电机进行控制。图5为上位机监控界面，它包括参数发送和数据采集两部分，可以显示速度、磁链、转矩的给定值和实际值，便于用户比较。图6为永磁同步电机空载运行时的速度观测图。其中：直线代表速度给定值，曲线是速度实际值。速度给定值为500 r／min，通过转速表测量，转速为499r／min，从图中可以看出速度以极小的误差围绕给定值波动，证明了转速能被很好地控制住。图7为磁链标幺值的给定值与实际值比较图，磁链给定值为200，DSP中采用Q12格式，最后经过计算反馈到上位机时应为0．2，直线是给定值，曲线是实际值，在图中可以看出超调量很小，磁链参数也能准确地反馈到Pc机上，与试验预期结果相符。

4 结 语
      采用PC机与DSP的主从式结构，既能发挥DSP的数据处理能力，又具有良好的人机接口，这极大地方便了系统的开发调试。DSP和PC机串行通信可以实现下位机参数实时上传，使用户随时掌握电机状态性能；通过上位机在线修改DSP的程序，使电机按照要求运行，实现对电机的全数字化实时控制。本文所解决的关键难题为下一步实现电机控制系统性能的在线监测奠定了基础。
参考文献
[1] 刘和平，严利平，张学锋，等．TMS320I 1～24XDSP结构、原理及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[2] 张立材．Delphi编程中用MSComm控件实现串行通讯[J]．微计算机信息，2001，17（3）：26—27．
[3] 赵兰涛，苏彦华．Delphi串口通信技术与工程实践[M]．北京：人民邮电出版社，2004．
[4] 郭京蕾，吴勇．DSP和Pc机的串行通信[J]．计算机工程与设计，2004，25（3）：475-477．