基于TMS320F28035的永磁同步電機矢量控制系統研究

永磁同步電動(dòng)機(PMSM)具有體積小、重量輕、結構多樣、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在數控機床、工業(yè)機器人等自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應用。數字化交流伺服調速系統采用的是目前非常流行的矢量控制算法，即電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)。SVPWM的主要思想是：以三相對稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)三相對稱(chēng)電動(dòng)機定子理想磁鏈圓為參考標準，以三相逆變器不同開(kāi)關(guān)模式作適當的切換，從而形成脈寬調制(PWM)波，以所形成的實(shí)際磁鏈矢量來(lái)追蹤其準確磁鏈圓。

由于矢量控制算法對采集PMSM轉子的電流、電壓等參數的實(shí)時(shí)性要求很高，且計算量大，一般的微處理器很難達到要求。因此，文中采用TI公司C2000系列高壓數字電機開(kāi)發(fā)

套件，利用其DSP芯片TMS320F28035高速數據處理能力，使得整個(gè)電機控制系統具有控制精度高，實(shí)時(shí)性強的特點(diǎn)。

1 系統結構

針對永磁同步電機高階、多變量、非線(xiàn)性、強耦合的控制特點(diǎn)，如何有效解耦進(jìn)而實(shí)現直流電機般的轉矩控制方式，一直以來(lái)都是主要的研究熱點(diǎn)。永磁同步電機的轉子機械位置和磁通位置的一致性，決定了其實(shí)現矢量控制方面的優(yōu)越性。矢量控制即磁場(chǎng)定向控制，利用坐標變換消除原坐標系下參數的耦合，實(shí)現對電機的電磁轉矩和勵磁磁場(chǎng)進(jìn)行分別控制，進(jìn)而實(shí)現類(lèi)似直流電機的轉矩控制。

目前，PMSM的矢量控制策略主要可以分為：id=0控制、力矩電流比最大控制、總磁鏈恒定控制、直接轉矩控制等。本系統采用id=0控制，該方法由于電樞反應沒(méi)有直軸去磁分量，就不會(huì )產(chǎn)生去磁效應，也就不會(huì )出現因永磁電機退磁而導致電機性能變壞的現象，能保證電機的電樞電流和電磁轉矩成正比，實(shí)現轉矩的線(xiàn)性化控制。要實(shí)現id=0的解耦控制通常有兩種實(shí)施方案：電流滯環(huán)控制和速度、電流的雙閉環(huán)控制。本系統選用速度、電流的雙閉環(huán)控制方式。

由圖1可知，永磁同步電機矢量控制系統有以下五部分組成：速度、電流PI調節器;坐標變換模塊;空間電壓矢量調制(SVPWM)模塊;電壓逆變模塊;位置與速度檢測模塊。系統的具體控制過(guò)程為：通過(guò)正交編碼器(QEP)對電機的位置和速度信號進(jìn)行采樣，并將速度信號與速度指令信號進(jìn)行比較，經(jīng)速度PI調節器的調節后輸出指令信號;通過(guò)電流采樣獲得兩相定子電流信號(第三相可通過(guò)另外兩相計算得出)，并經(jīng)坐標變換得到電流信號;將電流信號分別與指令信號進(jìn)行比較，經(jīng)電流PI調節器調節后輸出d—q軸電壓信號，再經(jīng)Park逆變換輸出軸電壓信號;通過(guò)SVPWM模塊輸出六路PWM信號驅動(dòng)逆變器，產(chǎn)生頻率、幅值可變的三相正弦電流輸入電機，實(shí)現電機的驅動(dòng)。

2 系統設計

2.1 系統硬件設計

基于DSP28035的永磁同步電機矢量控制系統組成主要包括：埃斯頓EMJ系列永磁同步電機、PC上位機以及TI高壓數字電機控制和功率因數校正(HVDMC+PFC)開(kāi)發(fā)板。其中，TI公司C2000系列Piccolo  TMS320F28035 DSP為其核心控制芯片。系統的硬件總體結構框圖如圖2所示。

如圖2所示，系統以TI公司C2000 Piccolo系列TMS320F28035  DSP為其核心控制芯片，主要包括兩相整流模塊、軟起動(dòng)濾波與電壓測量模塊、IPM功率模塊和電流測量模塊。外設包括JTAG仿真接口、SCI模塊、QEP模塊、ADC模塊、通用I/O口和PWM模塊。在程序運行的過(guò)程中，由JTAAG接口進(jìn)行重載代碼，在線(xiàn)仿真;與上位機進(jìn)行通信，利用SCI模塊進(jìn)行擴展;通過(guò)通用I/O口與鍵盤(pán)和液晶顯示進(jìn)行連接。

F28035芯片除了主要完成系統所需的控制算法，包括電壓、電流采樣的模/數轉換、Clark變換、Park變換、PI調節器、產(chǎn)生一定的PWM信號去控制系統工作外，還要負責與上位機進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊及完成系統所需的其他各項控制功能。HVDMC+PFC開(kāi)發(fā)板主要由DSP芯片、主板模塊、交流電源輸入模塊、直流電源輸入模塊、輔助電源模塊、獨立聯(lián)合測試行動(dòng)小組(Joint  Test Action  GroupJTAG)仿真模塊、兩相交錯功率因數校正模塊和三相逆變器模塊8部分組成。PFC和功率模塊(IPM)是其中兩個(gè)重要的組成。PFC的作用是將DSP輸出的PWM脈沖放大到足以驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管，它能夠改善功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)特性，從而減小開(kāi)關(guān)損耗，提高整個(gè)系統的效率及功率器件工作的可靠性。

文中采用單個(gè)鎖定性霍爾原件做轉速和位置的檢測。由于霍爾元件具有尺寸小、質(zhì)量輕、無(wú)觸點(diǎn)、外圍電路簡(jiǎn)單、頻響寬、動(dòng)態(tài)性能好、使用壽命長(cháng)、調試方便等特點(diǎn)，用他可以做成各種傳感器。廣泛應用于位移測量、傾角測量、壓力測量、轉速或轉數等方面的測量。由于鎖定型霍爾元件是雙極觸發(fā)元件，所以通常鎖定型霍爾元件的導通時(shí)間等于截止時(shí)間，脈沖波形是占空比為50%的方波，它具有良好的穩定性和可靠性。在不考慮安裝誤差的情況下，鎖定型霍爾元件的輸出的上升沿和下降沿代表轉子位置為0和π，假設在相鄰的上升沿與下降沿之間的轉速保持不變，可以通過(guò)檢測相鄰上升沿和下降沿之間的時(shí)間差來(lái)計算轉速。計算出角速度w以后，便能計算出每個(gè)時(shí)刻的轉子位置值。

2.2 系統軟件設計

在完成硬件系統設計后，進(jìn)行其軟件開(kāi)發(fā)需要兩個(gè)工具：一個(gè)TI提供的JTAG接口的仿真器;另一個(gè)是集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer  Studio)。整個(gè)系統軟件是由初始化

主程序和中斷子程序構成。主程序主要工作是初始化系統，把PWM處于SVPWM工作條件下，捕捉口CAP1和CAP2處于QEP工作狀態(tài)下，設定速度等;中斷程序主要完成讀取位置信息、采集電流、完成矢量轉換，并根據控制值產(chǎn)生相應的SVPWM波形。CCS作為智能化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，能適應多種場(chǎng)合、多處理器的DSP項目需求，具有以下主要特點(diǎn)：

1)編程方式多樣，可使用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)音混合編程，不需要手動(dòng)編寫(xiě)大量匯編程序;

2)基于專(zhuān)業(yè)的行業(yè)標準，可視化的代碼編輯界面，操作具有較大的靈活性;

3)具有強大的調試能力，可查看寄存器值、設置斷點(diǎn)為探針、顯示波形等;

4)具有一個(gè)開(kāi)放式應用程序接口(API)，可以構建自定義的插件與其組件交互。

全數字化的永磁同步電機伺服系統最大的特點(diǎn)就是軟件伺服，即改變控制功能主要通過(guò)改變軟件設計來(lái)實(shí)現。軟件伺服增強了控制系統的靈活性，較少了更改硬件產(chǎn)生的成本風(fēng)險，但是對系統軟件設計提出更高的要求。在PMSM矢量控制系統中，軟件設計要求在指定中斷周期內，對被控電流、位置、轉速信號進(jìn)行采樣、邏輯運算，完成控制算法，輸出控制信號，并實(shí)時(shí)進(jìn)行故障處理。本系統的軟件設計采用模塊化設計結構，分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分，主要包括系統初始化模塊、電流采樣模塊、坐標變換模塊、控制算法模塊、SVPWM發(fā)生模塊、QEP計算模塊、串行通信模塊等。

如圖3所示，系統初始化主要完成初始化控制系統(關(guān)閉看門(mén)狗和設定系統鎖相倍頻等)、PIE和外設等。關(guān)閉PWM是為了防止PWM1-6產(chǎn)生錯誤動(dòng)作，定位子程序是為了獲得轉子對于光電編碼器的相對位置。系統初始化程序是對DSP的宏觀(guān)系統進(jìn)行初始化，進(jìn)行存儲空間、系統時(shí)鐘、系統看門(mén)狗、系統中斷的設置。

中斷服務(wù)程序是軟件設計的核心部分，包括定時(shí)器下溢中斷和CPU定時(shí)器中斷。定時(shí)器下溢中斷主要通過(guò)調用電流采樣處理、位置和轉速計算、小標變換、數字PID控制和SVPWM發(fā)生等功能子模塊實(shí)現系統控制算法、數據采集;CPU定時(shí)器中斷主要通過(guò)對采樣值的處理和I/O狀態(tài)的檢測來(lái)完成系統的軟件保護，并形成報警碼送顯。

3 系統實(shí)驗結果

以埃斯頓伺服電機(型號為EMJ-04APB22)為實(shí)驗對象，電機定子電阻R=2.8Ω，等效電感L=0.008  5H，轉子磁鏈ψf=0.175Wb，極對數Pm=6，轉動(dòng)慣量J=0.000 87km·m2，力矩常數KT=0.575。

d、q軸電流在起動(dòng)過(guò)程中，q軸電流經(jīng)歷一個(gè)很小的超調量之后趨于穩定，穩定后q軸電流保持一個(gè)恒定幅值，d軸電流經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的振蕩過(guò)程后趨于穩定，基本上等于給定電流且幅值幾乎保持0值不變，從而說(shuō)明磁場(chǎng)定向準確，d、q軸電流完全解耦。圖4所示的為q軸給定電流與數據變換后q軸反饋電流波形。從該圖可以看出反饋電流能很好地跟蹤

給定電流，在給定±2 A電流時(shí)，反饋電流最大超調只有±300mA，而且很快穩定下來(lái)。

從圖5中得知，該電機的頻率為5 Hz，速度為+1 500 r/min，反饋速度能很快的跟蹤，且基本上無(wú)超調。在給定一個(gè)階躍后，系統大約經(jīng)過(guò)0.035  s調節時(shí)間趨于穩定，三相電流波形完全平衡，并且有很好的正弦化趨勢。經(jīng)過(guò)大約0.035  s的上升及調節時(shí)間，轉速趨于穩定，反映了系統響應的快速性，調節過(guò)程呈現過(guò)阻尼衰減振蕩形式，調節過(guò)程結束后，轉速反饋曲線(xiàn)與轉速給定曲線(xiàn)重合，反映出很好的跟隨性，但是調節過(guò)程有一個(gè)大約10%的超調量，在實(shí)際系統中，超調量會(huì )大大減小。

4 結論

本文PMSM控制系統采用TMS320F28035，充分運用DSP芯片速度快、運算能力強的優(yōu)勢，使系統具有較好的動(dòng)態(tài)特性和穩態(tài)精度。實(shí)驗結果表明，基于DSP所實(shí)現的矢量控制算法，在永磁同步電機驅動(dòng)的應用上，電機的速度控制效果很理想。