基于TMS320F28035的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)研究

 永磁同步電動機(PMSM)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)多樣、可靠性高等優(yōu)點。在數(shù)控機床、工業(yè)機器人等自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字化交流伺服調(diào)速系統(tǒng)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(diào)制(SVPWM)。SVPWM的主要思想是：以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不同開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成脈寬調(diào)制(PWM)波，以所形成的實際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫰錅?zhǔn)確磁鏈圓。

由于矢量控制算法對采集PMSM轉(zhuǎn)子的電流、電壓等參數(shù)的實時性要求很高，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(shù)字電機開發(fā)

套件，利用其DSP芯片TMS320F28035高速數(shù)據(jù)處理能力，使得整個電機控制系統(tǒng)具有控制精度高，實時性強的特點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對永磁同步電機高階、多變量、非線性、強耦合的控制特點，如何有效解耦進而實現(xiàn)直流電機般的轉(zhuǎn)矩控制方式，一直以來都是主要的研究熱點。永磁同步電機的轉(zhuǎn)子機械位置和磁通位置的一致性，決定了其實現(xiàn)矢量控制方面的優(yōu)越性。矢量控制即磁場定向控制，利用坐標(biāo)變換消除原坐標(biāo)系下參數(shù)的耦合，實現(xiàn)對電機的電磁轉(zhuǎn)矩和勵磁磁場進行分別控制，進而實現(xiàn)類似直流電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制等。本系統(tǒng)采用id=0控制，該方法由于電樞反應(yīng)沒有直軸去磁分量，就不會產(chǎn)生去磁效應(yīng)，也就不會出現(xiàn)因永磁電機退磁而導(dǎo)致電機性能變壞的現(xiàn)象，能保證電機的電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩成正比，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化控制。要實現(xiàn)id=0的解耦控制通常有兩種實施方案：電流滯環(huán)控制和速度、電流的雙閉環(huán)控制。本系統(tǒng)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(tǒng)有以下五部分組成：速度、電流PI調(diào)節(jié)器;坐標(biāo)變換模塊;空間電壓矢量調(diào)制(SVPWM)模塊;電壓逆變模塊;位置與速度檢測模塊。系統(tǒng)的具體控制過程為：通過正交編碼器(QEP)對電機的位置和速度信號進行采樣，并將速度信號與速度指令信號進行比較，經(jīng)速度PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)后輸出指令信號;通過電流采樣獲得兩相定子電流信號(第三相可通過另外兩相計算得出)，并經(jīng)坐標(biāo)變換得到電流信號;將電流信號分別與指令信號進行比較，經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)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SVPWM模塊輸出六路PWM信號驅(qū)動逆變器，產(chǎn)生頻率、幅值可變的三相正弦電流輸入電機，實現(xiàn)電機的驅(qū)動。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于DSP28035的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)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(shù)字電機控制和功率因數(shù)校正(HVDMC+PFC)開發(fā)板。其中，TI公司C2000系列Piccolo TMS320F28035 DSP為其核心控制芯片。系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

如圖2所示，系統(tǒng)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、軟起動濾波與電壓測量模塊、IPM功率模塊和電流測量模塊。外設(shè)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。在程序運行的過程中，由JTAAG接口進行重載代碼，在線仿真;與上位機進行通信，利用SCI模塊進行擴展;通過通用I/O口與鍵盤和液晶顯示進行連接。

F28035芯片除了主要完成系統(tǒng)所需的控制算法，包括電壓、電流采樣的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、Clark變換、Park變換、PI調(diào)節(jié)器、產(chǎn)生一定的PWM信號去控制系統(tǒng)工作外，還要負責(zé)與上位機進行實時通訊及完成系統(tǒng)所需的其他各項控制功能。HVDMC+PFC開發(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)合測試行動小組(Joint Test Action Group&JTAG)仿真模塊、兩相交錯功率因數(shù)校正模塊和三相逆變器模塊8部分組成。PFC和功率模塊(IPM)是其中兩個重要的組成。PFC的作用是將DSP輸出的PWM脈沖放大到足以驅(qū)動功率開關(guān)管，它能夠改善功率開關(guān)管的開關(guān)特性，從而減小開關(guān)損耗，提高整個系統(tǒng)的效率及功率器件工作的可靠性。

文中采用單個鎖定性霍爾原件做轉(zhuǎn)速和位置的檢測。由于霍爾元件具有尺寸小、質(zhì)量輕、無觸點、外圍電路簡單、頻響寬、動態(tài)性能好、使用壽命長、調(diào)試方便等特點，用他可以做成各種傳感器。廣泛應(yīng)用于位移測量、傾角測量、壓力測量、轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)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(dǎo)通時間等于截止時間，脈沖波形是占空比為50%的方波，它具有良好的穩(wěn)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(zhuǎn)子位置為0和π，假設(shè)在相鄰的上升沿與下降沿之間的轉(zhuǎn)速保持不變，可以通過檢測相鄰上升沿和下降沿之間的時間差來計算轉(zhuǎn)速。計算出角速度w以后，便能計算出每個時刻的轉(zhuǎn)子位置值。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在完成硬件系統(tǒng)設(shè)計后，進行其軟件開發(fā)需要兩個工具：一個TI提供的JTAG接口的仿真器;另一個是集成開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)。整個系統(tǒng)軟件是由初始化

主程序和中斷子程序構(gòu)成。主程序主要工作是初始化系統(tǒng)，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(shè)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(zhuǎn)換，并根據(jù)控制值產(chǎn)生相應(yīng)的SVPWM波形。CCS作為智能化集成開發(fā)環(huán)境，能適應(yīng)多種場合、多處理器的DSP項目需求，具有以下主要特點：

1)編程方式多樣，可使用匯編語言和C語音混合編程，不需要手動編寫大量匯編程序;

2)基于專業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(diào)試能力，可查看寄存器值、設(shè)置斷點為探針、顯示波形等;

4)具有一個開放式應(yīng)用程序接口(API)，可以構(gòu)建自定義的插件與其組件交互。

全數(shù)字化的永磁同步電機伺服系統(tǒng)最大的特點就是軟件伺服，即改變控制功能主要通過改變軟件設(shè)計來實現(xiàn)。軟件伺服增強了控制系統(tǒng)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(tǒng)軟件設(shè)計提出更高的要求。在PMSM矢量控制系統(tǒng)中，軟件設(shè)計要求在指定中斷周期內(nèi)，對被控電流、位置、轉(zhuǎn)速信號進行采樣、邏輯運算，完成控制算法，輸出控制信號，并實時進行故障處理。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分，主要包括系統(tǒng)初始化模塊、電流采樣模塊、坐標(biāo)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(tǒng)初始化主要完成初始化控制系統(tǒng)(關(guān)閉看門狗和設(shè)定系統(tǒng)鎖相倍頻等)、PIE和外設(shè)等。關(guān)閉PWM是為了防止PWM1-6產(chǎn)生錯誤動作，定位子程序是為了獲得轉(zhuǎn)子對于光電編碼器的相對位置。系統(tǒng)初始化程序是對DSP的宏觀系統(tǒng)進行初始化，進行存儲空間、系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)看門狗、系統(tǒng)中斷的設(shè)置。

中斷服務(wù)程序是軟件設(shè)計的核心部分，包括定時器下溢中斷和CPU定時器中斷。定時器下溢中斷主要通過調(diào)用電流采樣處理、位置和轉(zhuǎn)速計算、小標(biāo)變換、數(shù)字PID控制和SVPWM發(fā)生等功能子模塊實現(xiàn)系統(tǒng)控制算法、數(shù)據(jù)采集;CPU定時器中斷主要通過對采樣值的處理和I/O狀態(tài)的檢測來完成系統(tǒng)的軟件保護，并形成報警碼送顯。

3 系統(tǒng)實驗結(jié)果

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

d、q軸電流在起動過程中，q軸電流經(jīng)歷一個很小的超調(diào)量之后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后q軸電流保持一個恒定幅值，d軸電流經(jīng)過一個短暫的振蕩過程后趨于穩(wěn)定，基本上等于給定電流且幅值幾乎保持0值不變，從而說明磁場定向準(zhǔn)確，d、q軸電流完全解耦。圖4所示的為q軸給定電流與數(shù)據(jù)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，反饋電流最大超調(diào)只有±300mA，而且很快穩(wěn)定下來。

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，且基本上無超調(diào)。在給定一個階躍后，系統(tǒng)大約經(jīng)過0.035 s調(diào)節(jié)時間趨于穩(wěn)定，三相電流波形完全平衡，并且有很好的正弦化趨勢。經(jīng)過大約0.035 s的上升及調(diào)節(jié)時間，轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，反映了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，調(diào)節(jié)過程呈現(xiàn)過阻尼衰減振蕩形式，調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，轉(zhuǎn)速反饋曲線與轉(zhuǎn)速給定曲線重合，反映出很好的跟隨性，但是調(diào)節(jié)過程有一個大約10%的超調(diào)量，在實際系統(tǒng)中，超調(diào)量會大大減小。

4 結(jié)論

本文PMSM控制系統(tǒng)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(tǒng)具有較好的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度。實驗結(jié)果表明，基于DSP所實現(xiàn)的矢量控制算法，在永磁同步電機驅(qū)動的應(yīng)用上，電機的速度控制效果很理想。