基于TMS320F28035的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究

 永磁同步電動機(jī)(PMSM)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)多樣、可靠性高等優(yōu)點。在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字化交流伺服調(diào)速系統(tǒng)采用的是目前非常流行的矢量控制算法，即電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)。SVPWM的主要思想是：以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機(jī)定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不同開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成脈寬調(diào)制(PWM)波，以所形成的實際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫰錅?zhǔn)確磁鏈圓。

由于矢量控制算法對采集PMSM轉(zhuǎn)子的電流、電壓等參數(shù)的實時性要求很高，且計算量大，一般的微處理器很難達(dá)到要求。因此，文中采用TI公司C2000系列高壓數(shù)字電機(jī)開發(fā)

套件，利用其DSP芯片TMS320F28035高速數(shù)據(jù)處理能力，使得整個電機(jī)控制系統(tǒng)具有控制精度高，實時性強(qiáng)的特點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對永磁同步電機(jī)高階、多變量、非線性、強(qiáng)耦合的控制特點，如何有效解耦進(jìn)而實現(xiàn)直流電機(jī)般的轉(zhuǎn)矩控制方式，一直以來都是主要的研究熱點。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械位置和磁通位置的一致性，決定了其實現(xiàn)矢量控制方面的優(yōu)越性。矢量控制即磁場定向控制，利用坐標(biāo)變換消除原坐標(biāo)系下參數(shù)的耦合，實現(xiàn)對電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和勵磁磁場進(jìn)行分別控制，進(jìn)而實現(xiàn)類似直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。

目前，PMSM的矢量控制策略主要可以分為：id=0控制、力矩電流比最大控制、總磁鏈恒定控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。本系統(tǒng)采用id=0控制，該方法由于電樞反應(yīng)沒有直軸去磁分量，就不會產(chǎn)生去磁效應(yīng)，也就不會出現(xiàn)因永磁電機(jī)退磁而導(dǎo)致電機(jī)性能變壞的現(xiàn)象，能保證電機(jī)的電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩成正比，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化控制。要實現(xiàn)id=0的解耦控制通常有兩種實施方案：電流滯環(huán)控制和速度、電流的雙閉環(huán)控制。本系統(tǒng)選用速度、電流的雙閉環(huán)控制方式。

由圖1可知，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)有以下五部分組成：速度、電流PI調(diào)節(jié)器;坐標(biāo)變換模塊;空間電壓矢量調(diào)制(SVPWM)模塊;電壓逆變模塊;位置與速度檢測模塊。系統(tǒng)的具體控制過程為：通過正交編碼器(QEP)對電機(jī)的位置和速度信號進(jìn)行采樣，并將速度信號與速度指令信號進(jìn)行比較，經(jīng)速度PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)后輸出指令信號;通過電流采樣獲得兩相定子電流信號(第三相可通過另外兩相計算得出)，并經(jīng)坐標(biāo)變換得到電流信號;將電流信號分別與指令信號進(jìn)行比較，經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后輸出d—q軸電壓信號，再經(jīng)Park逆變換輸出軸電壓信號;通過SVPWM模塊輸出六路PWM信號驅(qū)動逆變器，產(chǎn)生頻率、幅值可變的三相正弦電流輸入電機(jī)，實現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于DSP28035的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)組成主要包括：埃斯頓EMJ系列永磁同步電機(jī)、PC上位機(jī)以及TI高壓數(shù)字電機(jī)控制和功率因數(shù)校正(HVDMC+PFC)開發(fā)板。其中，TI公司C2000系列Piccolo TMS320F28035 DSP為其核心控制芯片。系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

如圖2所示，系統(tǒng)以TI公司C2000 Piccolo系列TMS320F28035 DSP為其核心控制芯片，主要包括兩相整流模塊、軟起動濾波與電壓測量模塊、IPM功率模塊和電流測量模塊。外設(shè)包括JTAG仿真接口、SCI模塊、QEP模塊、ADC模塊、通用I/O口和PWM模塊。在程序運(yùn)行的過程中，由JTAAG接口進(jìn)行重載代碼，在線仿真;與上位機(jī)進(jìn)行通信，利用SCI模塊進(jìn)行擴(kuò)展;通過通用I/O口與鍵盤和液晶顯示進(jìn)行連接。

F28035芯片除了主要完成系統(tǒng)所需的控制算法，包括電壓、電流采樣的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、Clark變換、Park變換、PI調(diào)節(jié)器、產(chǎn)生一定的PWM信號去控制系統(tǒng)工作外，還要負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行實時通訊及完成系統(tǒng)所需的其他各項控制功能。HVDMC+PFC開發(fā)板主要由DSP芯片、主板模塊、交流電源輸入模塊、直流電源輸入模塊、輔助電源模塊、獨立聯(lián)合測試行動小組(Joint Test Action Group&JTAG)仿真模塊、兩相交錯功率因數(shù)校正模塊和三相逆變器模塊8部分組成。PFC和功率模塊(IPM)是其中兩個重要的組成。PFC的作用是將DSP輸出的PWM脈沖放大到足以驅(qū)動功率開關(guān)管，它能夠改善功率開關(guān)管的開關(guān)特性，從而減小開關(guān)損耗，提高整個系統(tǒng)的效率及功率器件工作的可靠性。

文中采用單個鎖定性霍爾原件做轉(zhuǎn)速和位置的檢測。由于霍爾元件具有尺寸小、質(zhì)量輕、無觸點、外圍電路簡單、頻響寬、動態(tài)性能好、使用壽命長、調(diào)試方便等特點，用他可以做成各種傳感器。廣泛應(yīng)用于位移測量、傾角測量、壓力測量、轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)等方面的測量。由于鎖定型霍爾元件是雙極觸發(fā)元件，所以通常鎖定型霍爾元件的導(dǎo)通時間等于截止時間，脈沖波形是占空比為50%的方波，它具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在不考慮安裝誤差的情況下，鎖定型霍爾元件的輸出的上升沿和下降沿代表轉(zhuǎn)子位置為0和π，假設(shè)在相鄰的上升沿與下降沿之間的轉(zhuǎn)速保持不變，可以通過檢測相鄰上升沿和下降沿之間的時間差來計算轉(zhuǎn)速。計算出角速度w以后，便能計算出每個時刻的轉(zhuǎn)子位置值。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在完成硬件系統(tǒng)設(shè)計后，進(jìn)行其軟件開發(fā)需要兩個工具：一個TI提供的JTAG接口的仿真器;另一個是集成開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)。整個系統(tǒng)軟件是由初始化

主程序和中斷子程序構(gòu)成。主程序主要工作是初始化系統(tǒng)，把PWM處于SVPWM工作條件下，捕捉口CAP1和CAP2處于QEP工作狀態(tài)下，設(shè)定速度等;中斷程序主要完成讀取位置信息、采集電流、完成矢量轉(zhuǎn)換，并根據(jù)控制值產(chǎn)生相應(yīng)的SVPWM波形。CCS作為智能化集成開發(fā)環(huán)境，能適應(yīng)多種場合、多處理器的DSP項目需求，具有以下主要特點：

1)編程方式多樣，可使用匯編語言和C語音混合編程，不需要手動編寫大量匯編程序;

2)基于專業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可視化的代碼編輯界面，操作具有較大的靈活性;

3)具有強(qiáng)大的調(diào)試能力，可查看寄存器值、設(shè)置斷點為探針、顯示波形等;

4)具有一個開放式應(yīng)用程序接口(API)，可以構(gòu)建自定義的插件與其組件交互。

全數(shù)字化的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)最大的特點就是軟件伺服，即改變控制功能主要通過改變軟件設(shè)計來實現(xiàn)。軟件伺服增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的靈活性，較少了更改硬件產(chǎn)生的成本風(fēng)險，但是對系統(tǒng)軟件設(shè)計提出更高的要求。在PMSM矢量控制系統(tǒng)中，軟件設(shè)計要求在指定中斷周期內(nèi)，對被控電流、位置、轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行采樣、邏輯運(yùn)算，完成控制算法，輸出控制信號，并實時進(jìn)行故障處理。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分，主要包括系統(tǒng)初始化模塊、電流采樣模塊、坐標(biāo)變換模塊、控制算法模塊、SVPWM發(fā)生模塊、QEP計算模塊、串行通信模塊等。

如圖3所示，系統(tǒng)初始化主要完成初始化控制系統(tǒng)(關(guān)閉看門狗和設(shè)定系統(tǒng)鎖相倍頻等)、PIE和外設(shè)等。關(guān)閉PWM是為了防止PWM1-6產(chǎn)生錯誤動作，定位子程序是為了獲得轉(zhuǎn)子對于光電編碼器的相對位置。系統(tǒng)初始化程序是對DSP的宏觀系統(tǒng)進(jìn)行初始化，進(jìn)行存儲空間、系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)看門狗、系統(tǒng)中斷的設(shè)置。

中斷服務(wù)程序是軟件設(shè)計的核心部分，包括定時器下溢中斷和CPU定時器中斷。定時器下溢中斷主要通過調(diào)用電流采樣處理、位置和轉(zhuǎn)速計算、小標(biāo)變換、數(shù)字PID控制和SVPWM發(fā)生等功能子模塊實現(xiàn)系統(tǒng)控制算法、數(shù)據(jù)采集;CPU定時器中斷主要通過對采樣值的處理和I/O狀態(tài)的檢測來完成系統(tǒng)的軟件保護(hù)，并形成報警碼送顯。

3 系統(tǒng)實驗結(jié)果

以埃斯頓伺服電機(jī)(型號為EMJ-04APB22)為實驗對象，電機(jī)定子電阻R=2.8Ω，等效電感L=0.008 5H，轉(zhuǎn)子磁鏈ψf=0.175Wb，極對數(shù)Pm=6，轉(zhuǎn)動慣量J=0.000 87km·m2，力矩常數(shù)KT=0.575。

d、q軸電流在起動過程中，q軸電流經(jīng)歷一個很小的超調(diào)量之后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后q軸電流保持一個恒定幅值，d軸電流經(jīng)過一個短暫的振蕩過程后趨于穩(wěn)定，基本上等于給定電流且幅值幾乎保持0值不變，從而說明磁場定向準(zhǔn)確，d、q軸電流完全解耦。圖4所示的為q軸給定電流與數(shù)據(jù)變換后q軸反饋電流波形。從該圖可以看出反饋電流能很好地跟蹤

給定電流，在給定±2 A電流時，反饋電流最大超調(diào)只有±300mA，而且很快穩(wěn)定下來。

從圖5中得知，該電機(jī)的頻率為5 Hz，速度為+1 500 r/min，反饋速度能很快的跟蹤，且基本上無超調(diào)。在給定一個階躍后，系統(tǒng)大約經(jīng)過0.035 s調(diào)節(jié)時間趨于穩(wěn)定，三相電流波形完全平衡，并且有很好的正弦化趨勢。經(jīng)過大約0.035 s的上升及調(diào)節(jié)時間，轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，反映了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，調(diào)節(jié)過程呈現(xiàn)過阻尼衰減振蕩形式，調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，轉(zhuǎn)速反饋曲線與轉(zhuǎn)速給定曲線重合，反映出很好的跟隨性，但是調(diào)節(jié)過程有一個大約10%的超調(diào)量，在實際系統(tǒng)中，超調(diào)量會大大減小。

4 結(jié)論

本文PMSM控制系統(tǒng)采用TMS320F28035，充分運(yùn)用DSP芯片速度快、運(yùn)算能力強(qiáng)的優(yōu)勢，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度。實驗結(jié)果表明，基于DSP所實現(xiàn)的矢量控制算法，在永磁同步電機(jī)驅(qū)動的應(yīng)用上，電機(jī)的速度控制效果很理想。