基于DSP的PMSM矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究

摘要：為實現(xiàn)對永磁同步電機(PMSM)的最優(yōu)控制，設(shè)計了一種以數(shù)字信號處理器(DSP)為核心的控制器，深入分析了控制器中對電機運行精度影響較大的幾個模塊，并進行了優(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，實驗結(jié)果驗證了所設(shè)計控制器的可行性，并能滿足PMSM的高性能控制要求。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機；矢量控制；空間矢量脈寬調(diào)制

1 引言
    PMSM具有轉(zhuǎn)動慣量小、功率密度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在高性能的電機控制領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電機控制的數(shù)字化已成為主流趨勢，而高性能的電機控制算法都是通過主芯片實現(xiàn)的。目前，在電機控制領(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DSP，與TMS320F2407相比，它具有更豐富的硬件資源和更快的計算速度，可用于實現(xiàn)高性能電機控制系統(tǒng)。在此采用TMS320F2812設(shè)計了一種PMSM控制器，利用C語言編程進行軟件設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)速度、電流雙閉環(huán)控制。

2 永磁同步電機矢量控制系統(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，彼此進行獨立調(diào)節(jié)與控制。id=0控制法是目前交流電機控制中應(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，因而不會產(chǎn)生去磁效應(yīng)，且電機定子磁鏈空間矢量和永磁體磁鏈空間矢量正交，從電機端口看，此時的交流PMSM相當(dāng)于一臺他勵直流電機。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，電機所有電流均用來產(chǎn)生電磁力矩，電機控制效率高，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)動電路、檢測及保護電路等。主電路包括整流電路和逆變電路，其中整流部分由4個二極管構(gòu)成整流橋?qū)崿F(xiàn)；逆變電路是由6個IGBT元件構(gòu)成的開關(guān)電路，可輸出相位差120°的三相對稱電壓。

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    控制電路由上位機、TMS320F2812、光電編碼器、霍爾傳感器等組成。其中上位機與DSP通過JTAG模塊連接，可實現(xiàn)兩者間的實時通信：QEP模塊連接光電編碼器，用來捕獲電機轉(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)動電路，輸出到逆變電路的6個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)果的準確性將直接影響電機控制性能，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)計的矯正電路如圖4所示。

    對于同一個排序器。其8個通道的G和b是相同的，如果給定兩個通道(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，的表達式可以計算得到：
   
    得到G’和b’后，就可通過y=Gx+b計算矯正后的采樣結(jié)果。[!--empirenews.page--]
3．2 相電流檢測及過熱保護模塊
    為提高控制器的電流檢測精度，該設(shè)計采用CS010GT霍爾電流傳感器進行電流采樣。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。

    為了減少高頻信號以及負載效應(yīng)對系統(tǒng)的影響，在霍爾電流傳感器的輸出端設(shè)計有電壓跟隨器。當(dāng)電機長時間高速工作時，如果電路的散熱條件不好，就會燒毀元件甚至造成更大損失。該設(shè)計中針對容易燒毀的大功率IGBT元件，在電機驅(qū)動板上安裝了散熱片，同時為了實時檢測芯片溫度，采用高精度溫度傳感器芯片LM358CAZ設(shè)計了過熱保護電路，如圖6所示。LM358CAZ芯片可直接采樣攝氏溫度，計算較方便，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，在如今交流電機數(shù)字化控制中應(yīng)用越來越廣泛。采用TMS320F2812實現(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的位置計算得到；生成對稱或不對稱的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)時間，當(dāng)時鐘周期為50ns時，可設(shè)置死區(qū)時間范圍為0～102．4 μs；COMCON[9]控制PWM輸出狀態(tài)。3個比較寄存器CMPRx(x=1，2，3)中值的大小由非零矢量和零矢量的作用時間來確定，從而決定何時開通A，B，C三相。當(dāng)定時器的計數(shù)器與CMPRx的值發(fā)生匹配時，空間矢量對應(yīng)的控制信號輸出就會改變。
    TMS320F2812的PWM口有片內(nèi)上拉電阻，高阻態(tài)時默認為高電平，而通用的IGBT元件為高電壓導(dǎo)通，因此為防止高阻態(tài)時同一橋臂的兩個IGBT同時導(dǎo)通的情況發(fā)生，采用SN74HOOD和SN74H10D芯片設(shè)計了PWM檢測報警電路。
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4 軟件設(shè)計
    在系統(tǒng)設(shè)計中，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，主要包括上位機軟件和DSP控制程序。上位機通過仿真器與DSP連接，實現(xiàn)了SVPWM波形輸出、電流檢測、過壓保護等功能。DSP控制程序由兩個模塊組成，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，會首先進入系統(tǒng)資源初始化，然后進行PMSM轉(zhuǎn)子初始位置角的檢測，得到位置角信息后進入后臺處理程序，等待中斷處理信號用以進入系統(tǒng)子程序?qū)﹄姍C進行控制。中斷模塊主要是進行速度環(huán)和電流環(huán)的處理以及與上位機交換數(shù)據(jù)。

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

6 結(jié)論
    設(shè)計了一種基于TMS320F2812的永磁同步電動機控制器，解決了電機控制中一些實際問題，采用矢量控制法和SVPWM技術(shù)對控制器進行了調(diào)試，由實驗結(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)計的有效性和合理性。