以單一DSP控制多重三相逆變器

多數新型電機控制方案均利用數字信號處理器（DSP）為電機的矢量控制提供所需的計算能力。由于矢量控制需要相當強大的處理能力和外圍資源，因而迄今為止的設計經(jīng)驗仍主張每臺逆變器和電機都擁有專(zhuān)門(mén)隸屬于自己的DSP控制器。最近，DSP的處理能力和外圍資源已提升到足以輕松控制兩臺電機的程度，甚至還有潛力處理更多電機。采用單一DSP控制器控制兩套三相逆變器的初步實(shí)踐已經(jīng)表明此舉可行，樣板中包括實(shí)現雙永磁同步電機（PMSM）驅動(dòng)的完整系統及DSP接口。
 

                              

使用單一DSP控制兩臺永磁同步電機(PMSM)的硬件實(shí)驗裝置包括兩臺電機,兩塊逆變板以及一塊單一的D S P 開(kāi)發(fā)板(TMS320F280eZdsp)。

由標量控制升級到矢量控制可以顯著(zhù)提高電機運行效率，并允許采用更小、更便宜的電機，從而有利于節能。矢量控制能夠生成適當的磁場(chǎng)矢量，控制電機的轉矩和速度，不過(guò)，也需要相當強大的處理能力，以實(shí)現為每臺電機生成正確脈寬調制（PWM）輸出所需的控制算法。當前，在典型電機的控制應用中，每臺逆變器需要20到25 MIPS的處理能力，此外，驅動(dòng)每臺逆變器還需要一個(gè)單獨的編碼器接口模塊和六路PWM輸出。

  

過(guò)去的方法

上述苛刻要求往往意味著(zhù)每臺電機的應用系統均需采用一個(gè)單獨的DSP來(lái)控制，當應用中只包含單臺電機時(shí)，問(wèn)題并不突出，然而對于大多數多重電機應用而言，就顯得累贅而且昂貴了。典型的多重電機應用包括工程機械、暖通空調設備（HVAC）、汽車(chē)以及其他許多應用。如今，最先進(jìn)的DSP的處理能力高達100到150 MIPS，這無(wú)疑提高了以單一DSP控制多臺電機的可能性。事實(shí)上，針對此類(lèi)應用的DSP已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成，片內具有多組編碼器接口和數目眾多的PWM輸出。 
 
雙驅動(dòng)電機控制系統的結構圖給出了來(lái)自每臺電機的編碼器信號輸入和兩套逆變器的各相驅動(dòng)

硬件描述

雙電機控制系統的硬件包括兩臺三相PMSM電機，每臺電機連接著(zhù)一套三相電壓型PWM逆變器，全部逆變器以單一DSP控制器（Texas Instruments TMS320F2808）分別控制。片內模擬數字轉換器記錄各相電流和直流母線(xiàn)電壓信息，以及來(lái)自?xún)膳_逆變器的其他數據；內置于DSP控制器的編碼器接口模塊接收編碼器反饋信息；片內與電力電子相關(guān)的外圍接口為逆變器提供無(wú)縫連接，以有效簡(jiǎn)化整個(gè)系統設計。

為生成兩套三相電壓型逆變器所需的信號，硬件裝置采用了六對PWM輸出。PWM通道的逆變操作頻率為20 kHz，并逐周期刷新PWM調制所需的比較值。主控平臺為一塊DSP開(kāi)發(fā)板（TMS320F280eZdsp），正弦換相的八極三相永磁電機（Applied Motion A0100-103-3-000）采用兩千線(xiàn)編碼器，DSP的片上正交編碼器脈沖（QEP）接口與每臺電機的編碼器相連。

軟件開(kāi)發(fā)

采用C代碼編寫(xiě)的模塊化軟件有利于將來(lái)擴展為以中斷服務(wù)程序（ISR）為核心的驅動(dòng)應用軟件。由后臺循環(huán)構成的主程序只是簡(jiǎn)單地初始化外圍設備，包括鎖相環(huán)、看門(mén)狗、中斷控制和事件管理器等。其余代碼包括PWM中斷服務(wù)程序等。各自電機系統的定時(shí)中斷于每個(gè)PWM周期調用中斷服務(wù)程序。

獨立控制兩臺三相PMSM電機需要實(shí)現兩套磁場(chǎng)控制算法，針對兩臺電機的全部計算必須在每個(gè)PWM周期之內完成，并周而復始地多重調用軟件模塊，因此有必要清晰地定義每個(gè)模塊的輸入輸出，以便于在不同系統間實(shí)現模塊重用。所有計算均采用定點(diǎn)算法以簡(jiǎn)化運算要求。

電機控制算法   

著(zhù)名的Carke-Park變換構成了磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法，將三相電流矢量由三相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系中，再由獨立的比例積分微分（PID）調節器分別處理變換后的正交分量，最后PWM開(kāi)關(guān)模式變換器根據編碼器反饋信息計算得到的磁通角度將PID調節器輸出再度轉化回三相靜止坐標系中去。

PID模塊控制著(zhù)PWM占空比，以調節施加于電機的電壓。連接于電機軸端的光電編碼器輸出正交脈沖， QEP模塊接收該脈沖，以計算轉子的位置和旋轉速度。

            

TMS320F 28XX 的內部結構圖表示了外圍接口、外圍總線(xiàn)和片內存儲器,其中外圍接口上部的六相PWM接口和兩套QEP 接口使得單一DSP 能夠控制兩臺電機

依據前面描述的算法，為實(shí)現調速運行，需要以PID調節模塊計算PWM比較寄存器的值。全部算法以20 kHz的頻率運行，并于每個(gè)PWM周期刷新PWM占空比。為第二臺電機重復此過(guò)程，可實(shí)現以單一DSP控制器提供雙電機獨立驅動(dòng)的完整控制。

定點(diǎn)算法開(kāi)發(fā)

一種稱(chēng)為IQMATH的專(zhuān)用定點(diǎn)數學(xué)函數庫，可基于DSP硬件和編譯器優(yōu)化算法性能。IQMATH由高度優(yōu)化的高精度數學(xué)函數集構成，可以用C/C++設計將浮點(diǎn)算法無(wú)縫地轉化成DSP的定點(diǎn)代碼。IQMATH程序使得以類(lèi)浮點(diǎn)格式編寫(xiě)定點(diǎn)程序成為可能，該程序還能處理在定點(diǎn)編程中需要額外考慮的飽和及溢出問(wèn)題。而且，IQMATH程序特別適用于需要極高執行速度和運算精度的計算密集型實(shí)時(shí)應用。
 

          

每臺電機的磁場(chǎng)定向控制都采用一組正交編碼器脈沖和Clarke-Park 變換

根據使用過(guò)的軟件模塊定義可以創(chuàng )建一種特殊數據結構，使多次重用軟件模塊成為可能，從而可以按照實(shí)現整個(gè)系統所需要的次數重復引用目標模塊。在雙驅動(dòng)系統中，簡(jiǎn)單地定義適當的數據類(lèi)型，就可以將所需模塊引用兩次。實(shí)現雙重算法大約會(huì )消耗DSP片內63 kW Flash和18 kW RAM內存資源中的4 kW程序空間和0.5kW數據空間。

多重逆變控制器則需要為每臺電機配置專(zhuān)用的故障檢測信號接收引腳。

在多重逆變驅動(dòng)中，故障管理需要重點(diǎn)考慮。操控單一逆變器的傳統DSP控制器通常只是包含單一的故障管理系統，出現故障時(shí)就關(guān)斷控制器。多重逆變控制器則需要為每臺電機配置專(zhuān)用的故障檢測信號接收引腳，例如：可能需要六個(gè)引腳分別對應兩臺電機中每臺的過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫傳感器。單一電機的三個(gè)引腳共同連接到一個(gè)邏輯或模塊上，當任何一個(gè)引腳出現由低到高或由高到低的變化時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)中斷，關(guān)斷相應電機的PWM輸出。

試驗結果

雙電機驅動(dòng)系統的軟件開(kāi)發(fā)是分階段完成的，可以顯著(zhù)縮減調試所需要的時(shí)間。遞增式的軟件構建過(guò)程一次只測試少許軟件模塊，只有前一階段完成之后，才進(jìn)入下一級工作，最終結果是成功地完成了每臺驅動(dòng)的獨立控制 。用掉的MIPS處理能力遠遠低于DSP控制器可提供的100 MIPS，剩余帶寬可以輕松地用來(lái)構建更多的附加功能。

PMSM電機的矢量控制具備公認的性能優(yōu)越性，然而一片傳統控制器只能以有限的帶寬和片內外圍資源實(shí)現單臺高性能驅動(dòng)，另一方面，為每臺電機單獨提供驅動(dòng)控制也會(huì )增加整個(gè)系統的成本。最新一代DSP控制器致力于解決成本問(wèn)題，通過(guò)提供更強大的處理能力，多重編碼器接口以及數量眾多的PWM輸出，可以滿(mǎn)足兩臺甚至更多電機的控制需要。DSP內核結合必要的外圍接口可以簡(jiǎn)化設計過(guò)程，并為實(shí)現附加驅動(dòng)特性提供選擇余地。如果單一DSP控制器有能力操作多達四套三相電壓型逆變器，就可以徹底降低使用多臺電機的機械和運輸設備的成本和占地空間。

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