采用DSP芯片和磁場定向控制策略實現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計

1 、引言

近年，交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)在機(jī)械制造、工業(yè)機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其控制對象大多是永磁感應(yīng)同步電動機(jī)（PMSM）。PMSM的轉(zhuǎn)子采用永磁鋼，屬于元刷電機(jī)的一種，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于控制、性能優(yōu)良等優(yōu)點。本文討論的空間矢量控制的永磁同步電機(jī)控制器就是采用磁場定向算法并借助DSP的高速度來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的實時控制，因而在各種狀態(tài)下都有良好的控制性能，特別適用于對控制器體積及性能要求較高的應(yīng)用場合。

2 、磁場定向控制原理

磁場定向控制主要是對交流電機(jī)的控制，它通過適時的控制轉(zhuǎn)子的機(jī)械速度并調(diào)節(jié)相電流來滿足電磁轉(zhuǎn)距的要求。磁場定向控制矢量如圖1所示。在圖中的兩直角坐標(biāo)系中：αβ坐標(biāo)系為定子靜止坐標(biāo)系，α軸與定子繞組α軸相重合；dq為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合并以同步速度ωp逆時針旋轉(zhuǎn)。兩坐標(biāo)系之間的夾角為θe?，F(xiàn)把定子電流綜合矢量is在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq軸上分解如下：

is=isd+isq

在交流永磁同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子為永磁鋼，可認(rèn)為轉(zhuǎn)子電流綜合矢量的模大小不變，常用常數(shù)值If代表。交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T與定子、轉(zhuǎn)子電流綜合矢量的普遍關(guān)系如下：

T=3PL12 | i1 |%26;#183;| i2 | sinψ/2

式中：P—極對數(shù)；

L12—定子、轉(zhuǎn)子互感；

i1—定子電流綜合矢量；

i2—轉(zhuǎn)子電流綜合矢量；

ψ—定子、轉(zhuǎn)子綜合矢量夾角；

這樣，電磁轉(zhuǎn)矩就只隨 | i1| 和角ψ變化。為了獲得簡單可控的轉(zhuǎn)矩特性，可以使定子電流綜合矢量始終在q軸上，即ψ=90o，從而得到：

T=3PL12IFIS/2

式中，Is為定子電流綜合矢量的模。利用上式可以實現(xiàn)用定子電流綜合矢量的模來直接控制電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，從而使永磁同步電動機(jī)獲得類似直流電動機(jī)的伺服性能，并可得到快速無靜差的調(diào)節(jié)特性?？刂破鞯目刂平Y(jié)構(gòu)框圖2所示。

該速度控制系統(tǒng)由速度、電流雙閉環(huán)實現(xiàn)，采用的算法由相應(yīng)的模塊實現(xiàn)。ia和ib由電流傳感器檢測獲得，應(yīng)用clark變換可得到定子電流在靜止坐標(biāo)中的投影值。進(jìn)行park變換可以得到在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流投影值。然后將電流和給定的參考值（Isqref和Isdref）進(jìn)行比較，并經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。電流調(diào)節(jié)的輸出再經(jīng)過反park變換，同時應(yīng)用空間矢量技術(shù)并經(jīng)過三相逆變器即可產(chǎn)生新的定子電壓。為了能夠控制電機(jī)的機(jī)械速度可通過外環(huán)提供參考電流值Isqref，從而得出機(jī)械速度參考值nrefo整個控制器以DSP芯片為核心再配以簡單的外圍電路，其控制算法及功能全部由軟件實現(xiàn)。

3 、永磁同步電機(jī)控制器的硬件結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)磁場定向控制器以DSP數(shù)字信號處理器為核心。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖3可以看出，該系統(tǒng)主要由控制器核心TMS320LF2407A、外圍接口電路、功率回路等幾部分組成。

3.1 TMS320LF2407A的基本結(jié)構(gòu)

TMS320LF2407A采用3.3V供電，因而功耗較小。同時因其指令執(zhí)行周期可縮短到25ns，從而提高了控制器的實時處理能力。器件內(nèi)含32kB的FLASH程序存儲器，片內(nèi)外設(shè)采用統(tǒng)一的外設(shè)總線和數(shù)據(jù)單元進(jìn)行連接，其中包含兩個事件管理模塊，每個均由兩個16位通用定時器、8個16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道、3個捕獲單元以及一套編碼器接口電路組成；10位A/D轉(zhuǎn)換器可采用序列靈活編程，同時可在一個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)對一個通道進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換。綜上所述，TMS320LF2407A作為整個控制器的核心，集成了主要的電機(jī)外設(shè)控制部件，具有高速的運(yùn)算能力及較高的采樣精度，適合構(gòu)成單片電機(jī)伺服控制器以完成實時要求很高的伺服控制任務(wù)。本系統(tǒng)就是利用它來實現(xiàn)矢量變換、電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制以及PWM信號發(fā)生等功能。

3.2 高速數(shù)據(jù)采集電路

該系統(tǒng)中的電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速檢測使用的是增量式光電編碼器。其輸出信號送入TMS320LF2407A的I/O和QEP單元后，即可通過位置的微分運(yùn)算得到轉(zhuǎn)速信號。而用霍爾電流傳感器采樣A、B兩相電流即可獲得實時的電流信息。

3.3 主電源電路

控制系統(tǒng)的主回路逆變器采用智能功率模塊PM30CSJO60，該模塊采用30A/600VIGBT功率管，它內(nèi)含驅(qū)動電路，并設(shè)計有過壓、過流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路。同時系統(tǒng)還設(shè)計了軟啟動電路以減少強(qiáng)電對主回路的沖擊。在系統(tǒng)故障保護(hù)環(huán)節(jié)中還設(shè)置了主回路過壓、欠壓、過熱、過載、制動異常、光電編碼器反饋斷線等保護(hù)功能，故障信號由軟硬件配合檢測，一旦出現(xiàn)保護(hù)信號，便可通過軟件或硬件邏輯立刻封鎖PWM驅(qū)動信號。

4、 系統(tǒng)軟件設(shè)計

永磁同步電機(jī)磁場定向控制器軟件包括DSP主程序和DSP伺服控制程序，其中DSP伺服控制程序由4個部分組成：PWM定時中斷程序、光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序、功率驅(qū)動保護(hù)中斷程序和通訊中斷程序。主程序流程圖如圖4所示。主程序只完成系統(tǒng)硬件和軟件的初始化任務(wù)，然后處于等待狀態(tài)。完整的磁場定向控制（FOC）控制算法用PWM定時中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)。在一個中斷周期內(nèi)，從兩路AD采樣電流可計算轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速，當(dāng)完成所有反饋通道計算后，再調(diào)用正向通道中的計算模塊函數(shù)，最后輸出三相逆變器的空間矢量PWM波信號。其中斷周期設(shè)定為60μs，0.5ms完成一次速度環(huán)和位置環(huán)的控制，控制器的PWM開關(guān)周期設(shè)置為16kHz。PWM定時中斷程序的流程圖如圖5所示。通訊中斷程序主要用來接收并刷新控制參數(shù)，同時設(shè)置運(yùn)行模式；光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序可實現(xiàn)對編碼器反饋零脈沖精確地捕獲，從而得到交流永磁同步電機(jī)矢量變換定向角度的修正值；功率驅(qū)動保護(hù)中斷程序則用于檢測智能功率模塊的故障輸出，當(dāng)出現(xiàn)故障時，DSP的PWM通道將被封鎖，從而使輸出變成高阻態(tài)。

5 、結(jié)束語

本文提出了基于TMS320LF2407A的永磁同步電機(jī)磁場定向控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，該方案充分利用了DSP的高速運(yùn)算能力，從而使很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實現(xiàn)。該系統(tǒng)集實時處理能力和控制器的外設(shè)功能于一身，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時性和快速性。同時也為開發(fā)小體積、智能型永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)提供了一種新的途徑。