基于DSP的PMSM矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)(PMSM)的最優(yōu)控制，設(shè)計(jì)了一種以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心的控制器，深入分析了控制器中對(duì)電機(jī)運(yùn)行精度影響較大的幾個(gè)模塊，并進(jìn)行了優(yōu)化。采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)完成了系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的可行性，并能滿足PMSM的高性能控制要求。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；矢量控制；空間矢量脈寬調(diào)制

1 引言
    PMSM具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、功率密度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在高性能的電機(jī)控制領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)控制的數(shù)字化已成為主流趨勢，而高性能的電機(jī)控制算法都是通過主芯片實(shí)現(xiàn)的。目前，在電機(jī)控制領(lǐng)域中，最具代表性的DSP是TMS320F2000系列，其中TMS320F12812是該系列中的一款主流32位定點(diǎn)DSP，與TMS320F2407相比，它具有更豐富的硬件資源和更快的計(jì)算速度，可用于實(shí)現(xiàn)高性能電機(jī)控制系統(tǒng)。在此采用TMS320F2812設(shè)計(jì)了一種PMSM控制器，利用C語言編程進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)速度、電流雙閉環(huán)控制。

2 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)
    矢量控制的基本思想是通過坐標(biāo)變換，將電機(jī)定子電流分解成產(chǎn)生磁通的直軸分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的交軸分量，并使兩分量相互垂直，彼此進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)與控制。id=0控制法是目前交流電機(jī)控制中應(yīng)用最廣的矢量控制法。由于定子電流中只有交軸分量，沒有直軸去磁分量，因而不會(huì)產(chǎn)生去磁效應(yīng)，且電機(jī)定子磁鏈空間矢量和永磁體磁鏈空間矢量正交，從電機(jī)端口看，此時(shí)的交流PMSM相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī)。該系統(tǒng)在矢量控制的基礎(chǔ)上采用SVPWM技術(shù)來控制逆變器的輸出電壓，電機(jī)所有電流均用來產(chǎn)生電磁力矩，電機(jī)控制效率高，轉(zhuǎn)矩特性好，可獲得很寬的調(diào)速范圍，PMSM矢量控制系統(tǒng)基本框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與分析
    PMSM調(diào)速系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。主要包括主電路、控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、檢測及保護(hù)電路等。主電路包括整流電路和逆變電路，其中整流部分由4個(gè)二極管構(gòu)成整流橋?qū)崿F(xiàn)；逆變電路是由6個(gè)IGBT元件構(gòu)成的開關(guān)電路，可輸出相位差120°的三相對(duì)稱電壓。

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    控制電路由上位機(jī)、TMS320F2812、光電編碼器、霍爾傳感器等組成。其中上位機(jī)與DSP通過JTAG模塊連接，可實(shí)現(xiàn)兩者間的實(shí)時(shí)通信：QEP模塊連接光電編碼器，用來捕獲電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，并由數(shù)碼管模塊顯示；A／D模塊與霍爾傳感器相連，用來檢測電路中電壓、電流值的大??；事件管理器模塊輸出6路PWM波，經(jīng)光耦隔離、功率驅(qū)動(dòng)電路，輸出到逆變電路的6個(gè)IGBT開關(guān)管。
3．1 A／D采樣精度分析
    TMS320F2812片內(nèi)A／D模塊分辨率為12位，但在實(shí)際應(yīng)用中精度并不高。理想情況下，A／D的采樣結(jié)果為：y=Gx+b。其中，y為采樣結(jié)果；x為輸入電壓；G為增益，G=1；b為偏置，b=0。但是在采樣過程中，G并不等于1，b也不等于0，其偏差如圖3所示。

    由于A／D采樣結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接影響電機(jī)控制性能，因此有必要采用矯正電路來提高其轉(zhuǎn)換精度，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的矯正電路如圖4所示。

    對(duì)于同一個(gè)排序器。其8個(gè)通道的G和b是相同的，如果給定兩個(gè)通道(如A6，A7)的輸入電壓，則有：y6=Gx6’+b’，y7=Gx7+b’。由圖4可知，A6，A7的給定是通過穩(wěn)壓管和電阻分壓得到的，其電壓值是已知的，意即x6和x7是已知的。y6和y7可從A／D結(jié)果寄存器中讀取，由y6和y7，的表達(dá)式可以計(jì)算得到：
   
    得到G’和b’后，就可通過y=Gx+b計(jì)算矯正后的采樣結(jié)果。[!--empirenews.page--]
3．2 相電流檢測及過熱保護(hù)模塊
    為提高控制器的電流檢測精度，該設(shè)計(jì)采用CS010GT霍爾電流傳感器進(jìn)行電流采樣。CS010GT能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則的電流，其初級(jí)額定輸入電流，Ipn=10 A，輸入電流與輸出電壓的關(guān)系如圖5所示。

    為了減少高頻信號(hào)以及負(fù)載效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響，在霍爾電流傳感器的輸出端設(shè)計(jì)有電壓跟隨器。當(dāng)電機(jī)長時(shí)間高速工作時(shí)，如果電路的散熱條件不好，就會(huì)燒毀元件甚至造成更大損失。該設(shè)計(jì)中針對(duì)容易燒毀的大功率IGBT元件，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上安裝了散熱片，同時(shí)為了實(shí)時(shí)檢測芯片溫度，采用高精度溫度傳感器芯片LM358CAZ設(shè)計(jì)了過熱保護(hù)電路，如圖6所示。LM358CAZ芯片可直接采樣攝氏溫度，計(jì)算較方便，其額定溫度范圍為-55～150℃，非線性誤差較小。

3．3 SVPWM實(shí)現(xiàn)模塊
    SVPWM較傳統(tǒng)SPWM技術(shù)，具有諧波含量少、開關(guān)損耗小、直流電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，在如今交流電機(jī)數(shù)字化控制中應(yīng)用越來越廣泛。采用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)SVPWM非常方便，而且輸出波形精度高。根據(jù)用戶配置，DSP內(nèi)部定時(shí)器能生成多種方式PWM波形，控制器生成PWM的硬件電路如圖7所示。

    要生成SVPWM波形需要配置DSP內(nèi)部相關(guān)寄存器：當(dāng)前主矢量的值要寫入ACTR[12-15]中，其具體值要根據(jù)Uo的位置計(jì)算得到；生成對(duì)稱或不對(duì)稱的PWM波形由T1CON[11-13]位控制；通過設(shè)置DBTCON相應(yīng)位來確定死區(qū)時(shí)間，當(dāng)時(shí)鐘周期為50ns時(shí)，可設(shè)置死區(qū)時(shí)間范圍為0～102．4 μs；COMCON[9]控制PWM輸出狀態(tài)。3個(gè)比較寄存器CMPRx(x=1，2，3)中值的大小由非零矢量和零矢量的作用時(shí)間來確定，從而決定何時(shí)開通A，B，C三相。當(dāng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)器與CMPRx的值發(fā)生匹配時(shí)，空間矢量對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)輸出就會(huì)改變。
    TMS320F2812的PWM口有片內(nèi)上拉電阻，高阻態(tài)時(shí)默認(rèn)為高電平，而通用的IGBT元件為高電壓導(dǎo)通，因此為防止高阻態(tài)時(shí)同一橋臂的兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通的情況發(fā)生，采用SN74HOOD和SN74H10D芯片設(shè)計(jì)了PWM檢測報(bào)警電路。
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4 軟件設(shè)計(jì)
    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通?？偸潜M可能地用軟件資源代替硬件資源，以降低成本，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)軟件部分采用C語言編程，主要包括上位機(jī)軟件和DSP控制程序。上位機(jī)通過仿真器與DSP連接，實(shí)現(xiàn)了SVPWM波形輸出、電流檢測、過壓保護(hù)等功能。DSP控制程序由兩個(gè)模塊組成，即主程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊。系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

    在系統(tǒng)初始上電后，會(huì)首先進(jìn)入系統(tǒng)資源初始化，然后進(jìn)行PMSM轉(zhuǎn)子初始位置角的檢測，得到位置角信息后進(jìn)入后臺(tái)處理程序，等待中斷處理信號(hào)用以進(jìn)入系統(tǒng)子程序?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行控制。中斷模塊主要是進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)的處理以及與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)中給定直流母線電壓Udc=220 V，PWM采樣周期為0．2ms，電機(jī)各定子繞組R=3．1Ω，最大轉(zhuǎn)速1000 r·min-1，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0．0036 kg·m2、極對(duì)數(shù)p=2。實(shí)驗(yàn)中電機(jī)以空載開始運(yùn)行，圖9a為電機(jī)給定轉(zhuǎn)速600 r·min-1時(shí)，a，b兩相電流波形圖，可見，電流波形的正弦性好，精度高，能使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。電機(jī)在運(yùn)行10 s后加2 N·m負(fù)載，圖9b為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩圖，電機(jī)在空載時(shí)，其轉(zhuǎn)矩波形在零附近波動(dòng)，突加負(fù)載后轉(zhuǎn)矩略有波動(dòng)，但很快就恢復(fù)穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間短。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用矢量控制實(shí)現(xiàn)的PMSM系統(tǒng)具有較好的動(dòng)靜態(tài)特性。

6 結(jié)論
    設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F2812的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器，解決了電機(jī)控制中一些實(shí)際問題，采用矢量控制法和SVPWM技術(shù)對(duì)控制器進(jìn)行了調(diào)試，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見系統(tǒng)響應(yīng)較快，控制精度高，穩(wěn)定性好，證明了該設(shè)計(jì)的有效性和合理性。