1 前言
电气传动系统在我国国民经济的许多部门，在工业生产的许多行业中，都起着极其重要的作用。绝大多数电力传动系统都需要调速控制，由于数字化变频调速系统控制性能优异、价格适宜、在很多应用场合有很好的节能效果，因此，变频调速已基本成为确定调速方式时的首选方案。
在我国的变频调速器市场中，国外一些著名的厂商，如欧洲的ABB、德国的西门子、丹麦的丹佛斯、日本的一些变频器厂商陆续推出各具特色的品牌产品。变频调速器系列产品在我国市场中可实现的年销售额，目前预计可达4亿元(RMB)。近年来，我国国内的一些厂商在借鉴、吸收、消化的基础上，也正在大力发展具有相当技术水平的优质变频调速器系列产品。
系统设计、元器件的选择、制造工艺等等都会影响调速器的性能，但是调速控制策略及调速算法的优劣，才是影响调速器性能的最主要的原因。因此，数字化调速研究的当务之急就是要加快和加深研究调速策略和调速算法，也就是要寻找并验证一种理想的调速控制策略和高效的调速控制算法。
调速设备的市场很大，调速研究的重点应该是寻找好的调速控制策略和高效的调速控制算法，而判断调速控制策略和算法的优劣是关键所在。设计数字化调速控制平台的目的，就是提供检验调速控制策略好坏和调速算法效率的工具。有了这套计算机控制平台，我们在调速理论上的研究结果立即就可以在平台上进行实验，以实践来检验理论的正确性。
之所以要使用计算机平台，是因为这样可以让使用者不需要过分着眼于DSP的外围底层编程，如通讯、数据记录等，而是把重点放在调速控制策略和控制算法上。另外，由于计算机拥有强大的图形界面功能，对于评估、分析和检验控制策略和控制算法，有着很好的辅助作用，可以加快研究开发的进程，提供一个强大的工具。
2 结构和功能
我们设计的这套数字化调速控制的计算机平台，配合DSP底层板(包括DSP最小系统和各种外围接口电路)和功率驱动模块，就可以成为一套完整的数字化调速系统。
对于研究者来说，使用该系统，能够使其在调速领域里迅速提高理论和实践水平，不会造成理论和实践的脱节；对于调速类产品开发者来说，可以用这套数字化调速系统检验方案的合理性和调速效果，加快开发速度；对于初涉DSP数字化调速的使用者，该系统操作简单，包含一些简单的实例，可以帮助他们进一步接触调速控制，并可以通过分析实际运行结果，加深对理论的理解，有利于在调速领域向国际水平迈进。
2.1 数字化调速控制的计算机平台 的总体构思
如图1所示，数字化调速控制研究的计算机平台基本涵盖了调速控制所需要的各种辅助工具，包括项目管理，与TI的编译器和链接器的结合，下载可执行代码到DSP板，控制程序运行和停止，上载记录数据值并显示，还提供图形界面下的参考曲线设置和运行结果分析等，功能相当强大。控制芯片选用TI公司的专门为调速控制优化的DSP处理器TMS320LF240x，DSP板上配有各种可能用到的外围电路及接口，如RS232通讯、CAN通讯、外部RAM和液晶显示接口等等。对于DSP的应用，已经有不少资料，所以不再多作介绍。在此主要介绍计算机平台的设计思想和结构：
首先，项目管理器使项目管理非常容易，用户只要简单地选定当前工作项目，所有相关文件包括程序和说明都会包含进来。而与TI编译器和链接器的兼容性则使用户可以方便地对程序进行编译和链接。这样，DSP编程的最基本的工作平台就成型了。
其次，可以仿真下载，即下载到DSP板上的RAM中，也可以直接下载，即下载到DSP芯片的Flash中；可以通过JTAG口下载(需要TI的DSP仿真器)，也可以通过RS232串行口下载。用户可以根据现有的条件和需要选择不同的下载方式。
平台中，通讯模块的作用很大。因为计算机平台与DSP的数据交换是必不可少的，通讯模块可以实现PC机对DSP程序的监控，方便使用者调试程序，使下载程序、指令以及数据的双向传输成为可能。调试DSP程序时，使用者可以在PC机上察看和修改变量值、各种控制参数等。此外，用户也可以根据需要在自己的应用程序中调用通讯模块中的程序，来完成用户需要的功能，这将会大大缩短用户的开发时间，使用户专心于程序核心算法的研究。调试工作是整个DSP调速项目开发中必不可少的一步。一般来说，DSP程序的调试可以用单步执行来进行，通过通讯模块可以在图形界面中察看各个变量和寄存器的值，还可以根据用户需要保存数据到文件中，以备日后察看比较。然而，作为数字化调速的计算机平台，光有这样的调试方法是不够的，因为调速应用是实时应用，对实时性的要求很高，系统要全速运行才能实现精确采样频率的数字化调速控制。因此，设计了数据记录模块，它是分析和调试调速控制应用的强大工具，其作用就是在程序运行时将一些变量、测量数据，甚至是计算的中间结果存储起来，然后，在程序运行完成后再通过串行口上载并显示，供使用者查看。因为储存数据和实时上传参数相比需要的机器周期少得多，可以插入到程序中，不会给处理器增加大量工作，也就可以在保证精确调速的前提下，通过分析运行过程中记录的数据来更好地验证算法的效果。
在图形界面中，可以显示控制参数设定值、调速参考曲线和实测值的差异，以及其它记录下来的数据值。用户可以根据这些值来验证程序的
算法是否和设计思路相符，也可以观察调速效果，如：是否达到设计的各项参数指标，程序是否高效等。还可以比较程序修改前后的运行结果。这样循序渐进，不断完善，最后完成整个DSP数字化调速研究过程。
另外，为了让使用者快速熟悉DSP的各个基本功能，提供一整套可以立即运行的程序，如数字I／O口的输入输出、A／D转换、通用定时器、比较单元、捕获单元和PWM生成等，让使用者可以在短时间内初步了解DSP的运作方式和DSP各个模块的基本功能。程序源代码及详细的注释可以帮助用户掌握DSP的基本编程方式。这套程序也可以用来检测DSP各个模块的功能，以保证系统正常工作。
除此之外，还将提供一些调速实例演示程序，为用户开发提供参考和指导。用户可以通过这些实例了解程序的编译、链接和下载过程，可以直接观察程序运行结果，也可以学习程序调试。更重要的，是可以帮助用户了解调速控制程序的核心编程思想，帮助用户对PWM波形的产生和其它检测单元如电流采样的A／D转换和位置采样的QEP单元的使用方法有深入理解。这些实例都设计成采用模块化编程，用户甚至不需要修改就可以直接将程序中的一些模块嵌入到自己的程序中，大大缩短了开发周期，集中精力关注调速控制核心算法的效果。
2.2 通讯模块结构
数字化调速控制研究的计算机平台中的一个关键部分就是通讯模块。图2大致地描绘了通讯模块的结构。通讯模块作为联结DSP和计算机主机间的桥梁，其重要性是显而易见的。如果没有通讯模块，那么控制、数据传输等功能就不能实现。
通讯模块由两部分组成，一部分是计算机中的应用程序，另一部分是DSP中的底层通讯程序，两个程序分别负责计算机主机和DSP的数据收发和指令解释。使用者还可以分别对这两部分程序进行调用和修改，以实现自己的特定的通讯功能。也就是说，可以对原有的通讯模块进行扩展，提供了很大的灵活性，这也是该数字化调速计算机平台的又一大特点。
2.3 一般调速控制程序开发过程
用户可以利用该平台循序渐进地开展数字化调速研究工作。
对于初学者，第一步可以先通过平台提供的DSP基本功能检测程序大致了解DSP的运行方式和基本功能。而对DSP已经有基本概念的开发人员则可以跳过这一步。但事实上这些例程非常有用，用户可以利用这些针对不同模块的程序来检验DSP硬件是否能够正常工作，避免由于硬件问题而造成开发过程不能顺利进行，这一步显然非常重要。
然后，用户可以使用该调速平台附带的调速例程，察看程序运行的结果。例程项目中会设定好数据记录模块和调速参考曲线，规定程序运行过程中需要记录的参数和一些寄存器的数据，在程序运行完成后再上载到计算机供用户察看，帮助用户熟悉数据记录模块的使用方法，并学会使用图形界面分析工具。例程也将提供完整的注释。通过对例程源程序的分析，用户可以了解程序中各个模块，如检测(电流、位置、转速等)的功能，尝试在自己的程序中直接调用这些模块；也可以熟悉DSP程序的编写，在这些程序的基础上进行修改以完成自己设定的功能，并在此过程中熟练掌握编译、链接、下载和调试的过程。
这样，用户就已经基本熟悉了数字化调速的计算机平台的使用方法。此后，就可以开始利用上述特性开展自己的数字化调速研究了。
3 该计算机平台的意义
随着DSP等强大的微处理器的产生和推广，数字化调速已成为调速领域的必然趋势。近年来，对DSP微处理器在调速上的应用研究不断深入，已经肯定了DSP在数字化调速中的地位，并且其系统和外围电路基本上也已经成熟。因此，数字化调速的重点已经转移到调速控制策略和调速控制算法的研究，即要寻找有效的策略和高效的算法。我们设计这套数字化调速控制的计算机平台的目的就是给调速控制研究工作者提供一套有效的工具，来方便和快速地检验调速控制策略和算法的优劣和效果。
据了解，国内拥有数字化调速研究系统的单位还不多。搞数字化调速研究，只研究理论而没有实验验证当然不行，有了这套数字化调
速控制的计算机平台后，对于调速研究工作者来说是如虎添翼，可以用其验证其理论研究的正确性。因为采用计算机为平台，研究者即使对DSP微处理器硬件不了解或了解不深，也可以用平台提供的强大工具完成调速研究，并在此过程中进一步熟悉DSP。
另外，该平台在高校实验室也可以发挥重大作用。不仅搞数字化调速研究的教师可以使用这套平台，在理论研究有成果后立即在实验室进行实验，从而很快在理论和实践上不断深入，接近国际水平；而且由于计算机平台所具有的操作简便、图形界面等特性，博士、硕士研究生甚至于本科生也完全可以使用这套设备进行实验，加深对理论的理解，促进创新思维的产生。
4 应用和结论
如图3所示，数字化调速控制研究的计算机平台配合DSP底层板和功率驱动模块以及电机等，组成了一整套完整的运动控制研究开发平台。
其系统结构：电网+调速系统功率平台+各种电机+直流调速器+电网。数字化调速控制研究的计算机平台负责DSP控制器编程、控制DSP控制器和四像限直流调速器的运行，并使测量的电压、电流、转矩等电机
运行的参数、控制平台的工作曲线和参数改变等显示在屏幕上。
使用者可以选择速度位置传感器或测速电机来测量转速和位置。由转矩仪测量转矩，并且利用转矩仪对不同负载下的电机转矩输出用直流调速器的输出电压、电流进行标定，使转矩仪不能测量动态转矩变化的缺点可以由标定好的直流调速器的电压、电流测量来弥补。
该系统用调速系统功率平台驱动异步电机、同步电机和直流无刷电机，负载直流电机由四像限直流调速器控制，并且直流调速器直接与电网相连。DSP给四像限直流调速器提供变化的模拟信号，模拟功率平台驱动的电机的负载为恒定负载、振荡负载和突加负载的情况，从而可以观察在不同负载的情况下的控制算法的效果，对电机调速算法作出评价。
这使本研究制作的包含数字化调速控制研究的计算机平台的调速系统成为先进的调速系统。不仅可以满足各种实验的使用，也可以成为搞调速算法研究的专家、学者的有力的研究工具。
我们设计研制这套数字化调速控制的计算机平台，对调速研究向深度和广度发展具有重要的作用。借助这套数字化调速系统，我们可以在调速理论上加快研究进程，可以更快地接近甚至赶超国际水平。