基于DSP的永磁同步電機磁場(chǎng)定向控制器設計

摘要：介紹了一種采用DSP芯片TMS320LF2407A實(shí)現永磁同步電機磁場(chǎng)定向控制器的控制原理，給出了采用磁場(chǎng)定向控制策略來(lái)設計該控制器的硬件組成結構及軟件設計流程。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機 磁場(chǎng)定向控制 數據信號處理器 智能功率模塊

1 引言

近年，交流伺服系統已經(jīng)在機械制造、工業(yè)機器人、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應用，其控制對象大多是永磁感應同步電動(dòng)機（PMSM）。PMSM的轉子采用永磁鋼，屬于元刷電機的一種，具有結構簡(jiǎn)單、體積小、易于控制、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。本文討論的空間矢量控制的永磁同步電機控制器就是采用磁場(chǎng)定向算法并借助DSP的高速度來(lái)實(shí)現對轉速的實(shí)時(shí)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用場(chǎng)合。

2 磁場(chǎng)定向控制原理

磁場(chǎng)定向控制主要是對交流電機的控制，它通過(guò)適時(shí)的控制轉子的機械速度并調節相電流來(lái)滿(mǎn)足電磁轉距的要求。磁場(chǎng)定向控制矢量如圖1所示。在圖中的兩直角坐標系中：αβ坐標系為定子靜止坐標系，α軸與定子繞組α軸相重合；dq為轉子旋轉坐標系，d軸與轉子磁鏈方向重合并以同步速度ωp逆時(shí)針旋轉。兩坐標系之間的夾角為θe?，F把定子電流綜合矢量is在旋轉坐標系dq軸上分解如下：

is=isd+isq

在交流永磁同步電機中，轉子為永磁鋼，可認為轉子電流綜合矢量的模大小不變，常用常數值If代表。交流電機電磁轉矩T與定子、轉子電流綜合矢量的普遍關(guān)系如下：

T=3PL12 | i1 || i2 | sinψ/2

式中：P―極對數；

L12―定子、轉子互感；

i1―定子電流綜合矢量；

i2―轉子電流綜合矢量；

ψ―定子、轉子綜合矢量夾角；

圖2

這樣，電磁轉矩就只隨 | i1| 和角ψ變化。為了獲得簡(jiǎn)單可控的轉矩特性，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(shí)現用定子電流綜合矢量的模來(lái)直接控制電動(dòng)機電磁轉矩，從而使永磁同步電動(dòng)機獲得類(lèi)似直流電動(dòng)機的伺服性能，并可得到快速無(wú)靜差的調節特性?？刂破鞯目刂平Y構框圖2所示。

該速度控制系統由速度、電流雙閉環(huán)實(shí)現，采用的算法由相應的模塊實(shí)現。ia和ib由電流傳感器檢測獲得，應用clark變換可得到定子電流在靜止坐標中的投影值。進(jìn)行park變換可以得到在旋轉坐標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(guò)PI調節器進(jìn)行調節。電流調節的輸出再經(jīng)過(guò)反park變換，同時(shí)應用空間矢量技術(shù)并經(jīng)過(guò)三相逆變器即可產(chǎn)生新的定子電壓。為了能夠控制電機的機械速度可通過(guò)外環(huán)提供參考電流值Isqref，從而得出機械速度參考值nrefo整個(gè)控制器以DSP芯片為核心再配以簡(jiǎn)單的外圍電路，其控制算法及功能全部由軟件實(shí)現。

3 永磁同步電機控制器的硬件結構

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

3.1 TMS320LF2407A的基本結構

TMS320LF2407A采用3.3V供電，因而功耗較小。同時(shí)因其指令執行周期可縮短到25ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)處理能力。器件內含32kB的FLASH程序存儲器，片內外設采用統一的外設總線(xiàn)和數據單元進(jìn)行連接，其中包含兩個(gè)事件管理模塊，每個(gè)均由兩個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位的脈寬調制（PWM）通道、3個(gè)捕獲單元以及一套編碼器接口電路組成；10位A/D轉換器可采用序列靈活編程，同時(shí)可在一個(gè)轉換周期內對一個(gè)通道進(jìn)行多次轉換。綜上所述，TMS320LF2407A作為整個(gè)控制器的核心，集成了主要的電機外設控制部件，具有高速的運算能力及較高的采樣精度，適合構成單片電機伺服控制器以完成實(shí)時(shí)要求很高的伺服控制任務(wù)。本系統就是利用它來(lái)實(shí)現矢量變換、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 高速數據采集電路

該系統中的電動(dòng)機轉子位置和轉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(guò)位置的微分運算得到轉速信號。而用霍爾電流傳感器采樣A、B兩相電流即可獲得實(shí)時(shí)的電流信息。

3.3 主電源電路

控制系統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，它內含驅動(dòng)電路，并設計有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測保護電路。同時(shí)系統還設計了軟啟動(dòng)電路以減少強電對主回路的沖擊。在系統故障保護環(huán)節中還設置了主回路過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、過(guò)載、制動(dòng)異常、光電編碼器反饋斷線(xiàn)等保護功能，故障信號由軟硬件配合檢測，一旦出現保護信號，便可通過(guò)軟件或硬件邏輯立刻封鎖PWM驅動(dòng)信號。

4 系統軟件設計

永磁同步電機磁場(chǎng)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(gè)部分組成：PWM定時(shí)中斷程序、光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序、功率驅動(dòng)保護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(chǎng)定向控制（FOC）控制算法用PWM定時(shí)中斷服務(wù)程序中實(shí)現。在一個(gè)中斷周期內，從兩路AD采樣電流可計算轉子位置角和轉速，當完成所有反饋通道計算后，再調用正向通道中的計算模塊函數，最后輸出三相逆變器的空間矢量PWM波信號。其中斷周期設定為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(kāi)關(guān)周期設置為16kHz。PWM定時(shí)中斷程序的流程圖如圖5所示。通訊中斷程序主要用來(lái)接收并刷新控制參數，同時(shí)設置運行模式；光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序可實(shí)現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矢量變換定向角度的修正值；功率驅動(dòng)保護中斷程序則用于檢測智能功率模塊的故障輸出，當出現故障時(shí)，DSP的PWM通道將被封鎖，從而使輸出變成高阻態(tài)。

5 結束語(yǔ)

本文提出了基于TMS320LF2407A的永磁同步電機磁場(chǎng)定向控制系統的實(shí)現方案，該方案充分利用了DSP的高速運算能力，從而使很多復雜的控制算法和功能得以實(shí)現。該系統集實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設功能于一身，從而實(shí)現了系統的實(shí)時(shí)性和快速性。同時(shí)也為開(kāi)發(fā)小體積、智能型永磁同步電機控制系統提供了一種新的途徑。