專利名稱：基于dsp控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于DSP控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
目前，電動機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法主要有以下幾種(1)以模擬電路硬接線方式建立的電機(jī)控制系統(tǒng)。(2)以微控制器為核心的電機(jī)控制系統(tǒng)。(3)在通用計(jì)算機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)的電機(jī)控制系統(tǒng)。(4)利用專用芯片實(shí)現(xiàn)的電機(jī)控制系統(tǒng)。(5)用FPGA/CPLD等可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的電機(jī)控制系統(tǒng)。(6)以可編程DSP控制器為核心構(gòu)成的電機(jī)控制系統(tǒng)。在這6種主要的電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式中，第一種實(shí)現(xiàn)方法為模擬控制系統(tǒng)，而 其他5種都屬于數(shù)字控制系統(tǒng)。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別適合于不同的應(yīng)用場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種基于DSP控制的永磁同步電機(jī) 控制系統(tǒng)。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明基于DSP控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于包括電源、DSP模塊、 驅(qū)動電路、電流檢測電路和傳感器組，其中DSP模塊的輸出端串接驅(qū)動電路后分別接永磁 同步電機(jī)和電流檢測電路的輸入端，傳感器組設(shè)置于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，電流檢測電 路和傳感器組的輸出端分別接DSP模塊的輸入端，電源的輸出端接DSP模塊的輸入端。優(yōu)選地，所述傳感器組包括分別設(shè)置于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子位置傳感器 和轉(zhuǎn)子速度傳感器。優(yōu)選地，DSP模塊包括速度單位變換模塊、減運(yùn)算環(huán)、速度調(diào)節(jié)器、電流矢量變換模 塊、兩個電流調(diào)節(jié)器、PWM生成器和功率驅(qū)動電路，其中速度單位變換模塊的輸入端接轉(zhuǎn)子 速度傳感器的輸出端，減運(yùn)算環(huán)的輸入端分別接外部給定速度信號和速度單位變換模塊的 輸出端，減運(yùn)算環(huán)和轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出端分別接電流矢量變換模塊的輸入端，電流矢 量變換模塊的輸出端分別接兩個電流調(diào)節(jié)器的正輸入端，兩個電流調(diào)節(jié)器的負(fù)輸入端分別 接電流檢測電路的輸出端，兩個電流調(diào)節(jié)器的輸出端分別接PWM生成器的輸入端，PWM生成 器的輸出端串接功率驅(qū)動電路后接驅(qū)動電路的輸入端。優(yōu)選地，所述驅(qū)動電路由全波整流電路依次串接濾波電路、逆變器構(gòu)成。所述方法如下采用電流檢測電路檢測永磁同步電機(jī)三相輸入電流的任意兩相電 流Ia和Ib ；然后采用速度單位變換模塊讀取轉(zhuǎn)子速度傳感器輸出的速度信號計(jì)算得到永 磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速，采用電流矢量變換模塊讀取轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的電流信號 計(jì)算得到永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子的角位移θ，將實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定參考 速度經(jīng)過減運(yùn)算環(huán)得到速度偏移量，采用電流矢量變換模塊將所述速度偏移量經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器后的調(diào)節(jié)信號與角位移θ利用PI控制算法，得到定子的參考輸入電流；采用電流檢測電路檢測得到永磁 同步電機(jī)的輸入相電流矢量，調(diào)用Clarke變換模塊把相電流矢量從三相定子A_B_C坐標(biāo)系 變換到兩相靜止α-β坐標(biāo)系中；計(jì)算Sin θ和Cose，進(jìn)行park變換，把相電流矢量從兩 相靜止α - β坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)中；然后分別根據(jù)q坐標(biāo)軸和d坐標(biāo)軸上的 相電流分量與參考輸入電流的偏差，進(jìn)行電流環(huán)PI控制，把得到的新電流通過調(diào)用Park變 換，將其變換回兩相靜止α-β坐標(biāo)系中得到PWM生成器輸入信號；調(diào)用PWM生成器，計(jì)算 得到PWM信號的占空比，將產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)過功率驅(qū)動電路后得到驅(qū)動信號輸出至驅(qū)動 電路，驅(qū)動三相永磁同步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)完整的控制。本發(fā)明簡化了系統(tǒng)的外圍設(shè)備，降低了系統(tǒng)的損耗，目標(biāo)控制系統(tǒng)效率變得更高， 運(yùn)行起來更安靜，而且提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，獲得了更好的控制效果。DSP控制器 在實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化電動機(jī)控制系統(tǒng)方面有著無可比擬的優(yōu)勢，尤其是在交流電動機(jī)的控制方 面。TI公司最新推出的TMS320F2812芯片，可用于各種數(shù)字伺服控制系統(tǒng)和嵌入式控制系 統(tǒng)。是到目前為止用于數(shù)字控制領(lǐng)域性能最好的32位定點(diǎn)DSP芯片。TMS320F2812不但把 許多在馬達(dá)控制中常用的硬件電路固化在芯片中，并且提供了充分的程序空間、外圍口線 和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，足以保證各種復(fù)雜控制算法能夠在此平臺上得以實(shí)現(xiàn)，從而滿足人們 對電動機(jī)控制越來越高的性能要求。DSP能夠?qū)崿F(xiàn)諸如無傳感器控制等各種實(shí)時(shí)算法，從而 減少系統(tǒng)元器件，大大降低系統(tǒng)成本。


圖1 統(tǒng)原理框圖；圖2 永磁同步電動機(jī)控制功率驅(qū)動電路拓?fù)鋱D；圖3 基于DSP的永磁同步電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件簡圖；圖4 :TMS320F2812的基本外圍電路；圖5 軟件主程序總體設(shè)計(jì)框圖；圖6 中斷服務(wù)程序流程框圖；圖7 控制模塊流程框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明如圖1所示，轉(zhuǎn)速給定由DSPs的ADC 口輸入，DSP提供6路PWM輸出至三相功率逆 變器。逆變器中的兩相接有采樣電阻，電阻上的分壓被放大，通過ADC通路送入DSP控制器 中。DSP在每個PWM周期中采樣電動機(jī)定子的相電流。電動機(jī)的軸上固定有光電編碼器，從 而可以獲得電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度。光電編碼器的輸出直接連到DSP的QEP/CAP 口線上， DSP可以通過讀取QEP的脈沖值轉(zhuǎn)子的位子角。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電動機(jī)的控制算 法。本發(fā)明利用TMS320F2812DSP控制器實(shí)現(xiàn)電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。永磁同步電動機(jī)的速度控制過程可以簡單描述為以下過程首先，根據(jù)檢測到的電動機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入的參考轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)距的關(guān)系，通過速度PI控制器計(jì)算得到定子電流參考輸入。定子相電流Ia和Ib通過相電流檢測電路被 提取出來，然后用Clarke變換將它們轉(zhuǎn)換到定子兩相坐標(biāo)系中，使用Park變換再將它們轉(zhuǎn) 換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。d-q坐標(biāo)系中的電流信號再與它們的參考輸入Isqref和Isdref 相比較，其中Isdref = 0，通過PI控制器獲得理想的控制量。控制信號再通過Park逆變換，送到PWM逆變器，從而得到控制定子三相對稱繞組的實(shí)際電流。外環(huán)速度環(huán)產(chǎn)生了定子 電流的參考值，內(nèi)環(huán)電流環(huán)得到實(shí)際控制信號，從而構(gòu)成一個完整的速度雙閉環(huán)系統(tǒng)。通過以上分析，大概可以確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾大模塊(I)DSP本身與外圍芯片接口的設(shè)計(jì)。(2)相電流檢測部分的設(shè)計(jì)。(3)轉(zhuǎn)子位置角度和速度信號的檢測。(4)PI控制器的設(shè)計(jì)。(5)矢量在坐標(biāo)系間的變換。(6)空間矢量PWM信號的產(chǎn)生。(7)電動機(jī)功率驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)。本發(fā)明選用的是實(shí)驗(yàn)永磁同步電動機(jī)，其三相定子繞組采用星形(丫形)接法，反 電動勢為正弦波形，且具有以下電氣結(jié)構(gòu)；定子相感抗4· 8mH額定轉(zhuǎn)距2· 2Nm額定轉(zhuǎn)速3000r/min額定功率690W機(jī)械時(shí)間常數(shù)1.5ms電氣時(shí)間常數(shù)2· 3ms永磁體類型=NdFeB電動機(jī)功率驅(qū)動板可以選用ACPM750E，它集成了 IR公司的IRPT1056C，包含一個 整流橋和三相高速IGBT逆邊器。圖2為這個轉(zhuǎn)換電路的拓?fù)鋱D。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還考慮了 所有功率器件的安全保護(hù)，如斷電、容錯、反向二極管、電流峰值保護(hù)等。此外，這塊板卡也 可同時(shí)驅(qū)動增量式光電編碼器，獲得電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號；提供了兩路電流反饋信號通路， 可以測量定子的相電流；電動機(jī)的轉(zhuǎn)速信號通過可調(diào)增益電路放大，直接送到DSP控制板 中?？刂齐娐房梢赃x用TI公司的TMS320F2812板，它可以直接與電動機(jī)驅(qū)動板相連接。它 包括一塊型號為TMS320F2812的DSP控制芯片、晶振、JTAG 口、RS-232串行接口以及預(yù)留的 輸出口線。電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件簡圖如圖3。TMS320F2812的基本外圍接口電路如圖4。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可簡單分為兩個部分一個是系統(tǒng)的主程序模塊，一個是電機(jī)的 控制模塊。其中第一個模塊包括系統(tǒng)的初始化和參數(shù)的初始化，而在第二個中，完整的控制 算法都將在PWM中斷服務(wù)程序中得到執(zhí)行，其運(yùn)行的頻率和PWM的頻率完全一樣。可以在 PWM的等待循環(huán)中加入一些控制信息顯示模塊，從而更加方便地直接觀測到系統(tǒng)運(yùn)行的信 肩、ο圖5是基于TMS320F2812電機(jī)控制系統(tǒng)軟件主程序總體設(shè)計(jì)框圖。從圖中我們 可以清楚的看到系統(tǒng)軟件的主體流程。首先，系統(tǒng)進(jìn)行對TMS320F2812以及其他外圍器件的初始化工作；然后設(shè)置允許中斷INT2和INT4，其中INT4響應(yīng)光電編碼器的零標(biāo)記脈沖， INT2在TIMERl計(jì)數(shù)溢出響應(yīng)，執(zhí)行系統(tǒng)的控制模塊；此外還要進(jìn)行一些運(yùn)行參數(shù)和控制循 環(huán)的標(biāo)記的設(shè)置；最后就進(jìn)入后臺等待狀態(tài)，隨時(shí)響應(yīng)各種中斷，運(yùn)行中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序的簡單設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。它們在結(jié)構(gòu)上都比較類似，都遵循響 應(yīng)中斷、系統(tǒng)狀態(tài)保護(hù)、清中斷標(biāo)記、執(zhí)行中斷服務(wù)、恢復(fù)系統(tǒng)狀態(tài)、結(jié)束這樣的基本順序。
圖7為系統(tǒng)控制主流程框圖。首先，系統(tǒng)要提取相電流的檢測量Ia和Ib ；然后讀 取光電編碼器，計(jì)算轉(zhuǎn)子的角位移θ和實(shí)際轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速與參考速度的偏移量，利 用PI控制算法，得到定子電流的參考輸入；調(diào)用Clarke變換模塊把相電流矢量從三相定子 A-B-C坐標(biāo)系變換到兩相靜止α - β坐標(biāo)系中；計(jì)算Sin θ和Cos θ，進(jìn)行park變換，把矢 量從兩相靜止α - β坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)中；然后分別根據(jù)q坐標(biāo)軸和d坐標(biāo) 軸上的相電流分量與參考電流的偏差，進(jìn)行電流環(huán)PI控制，把得到的新電流通過調(diào)用Park 變換，將其變換回兩相靜止α-β坐標(biāo)系中；在調(diào)用空間矢量PWM產(chǎn)生模塊，計(jì)算得到PWM 信號的占空比，送到TMS320F2812的PWM控制寄存器中；將產(chǎn)生的PWM信號送入逆變橋，驅(qū) 動三相永磁同步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)完整的控制。TMS320F2812強(qiáng)大的片上外設(shè)功能(如PWM脈沖發(fā)生器、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字I/O 口 等)使得它從硬件機(jī)制上可以很好的滿足其電動機(jī)控制系統(tǒng)的要求。TMS320F2812可以實(shí) 時(shí)地執(zhí)行一些高精度的復(fù)雜控制算法，減少傳感器信號采樣到控制命令輸出之間的延遲， 高效的處理能力使它可以減少轉(zhuǎn)距波動和諧波誤差，改善速度控制中的動態(tài)行為。同時(shí)，該 芯片采用深亞微米CMOS工藝制造，功耗極低。用TMS320F2812DSP芯片作為電機(jī)控制系統(tǒng)中的控制器，除了完成要求的功能外， 還可以具有保護(hù)、故障監(jiān)視、自診斷以及與上位管理機(jī)通信等功能。另外，改變控制策略、修 正控制參數(shù)和模型也變得簡單易行。這樣就大大提高了整個系統(tǒng)的性能，可靠性及實(shí)用性。可以看到，基于TMS320F2812構(gòu)成的電動機(jī)控制系統(tǒng)具有傳統(tǒng)的單片機(jī)電動機(jī)控 制系統(tǒng)和專用的芯片電動機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，即專用的電動機(jī)控制機(jī)制、用戶可編程、擴(kuò)展 能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大等；同時(shí)又克服了它們各自的缺點(diǎn)，如外設(shè)和存儲器集成在芯片內(nèi)，可接 省印刷電路板面積、減少系統(tǒng)中器件的個數(shù)、提高了 CPU的處理能力。另外，隨著電子技術(shù) 的不斷發(fā)展，芯片的成本不斷下跌，使得最終系統(tǒng)的性價(jià)比很高。
權(quán)利要求
一種基于DSP控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于包括電源、DSP模塊、驅(qū)動電路、電流檢測電路和傳感器組，其中DSP模塊的輸出端串接驅(qū)動電路后分別接永磁同步電機(jī)和電流檢測電路的輸入端，傳感器組設(shè)置于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，電流檢測電路和傳感器組的輸出端分別接DSP模塊的輸入端，電源的輸出端接DSP模塊的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述傳 感器組包括分別設(shè)置于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子位置傳感器和轉(zhuǎn)子速度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DSP控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于DSP模 塊包括速度單位變換模塊、減運(yùn)算環(huán)、速度調(diào)節(jié)器、電流矢量變換模塊、兩個電流調(diào)節(jié)器、 PWM生成器和功率驅(qū)動電路，其中速度單位變換模塊的輸入端接轉(zhuǎn)子速度傳感器的輸出端， 減運(yùn)算環(huán)的輸入端分別接外部給定速度信號和速度單位變換模塊的輸出端，減運(yùn)算環(huán)和轉(zhuǎn) 子位置傳感器的輸出端分別接電流矢量變換模塊的輸入端，電流矢量變換模塊的輸出端分 別接兩個電流調(diào)節(jié)器的正輸入端，兩個電流調(diào)節(jié)器的負(fù)輸入端分別接電流檢測電路的輸出 端，兩個電流調(diào)節(jié)器的輸出端分別接PWM生成器的輸入端，PWM生成器的輸出端串接功率驅(qū) 動電路后接驅(qū)動電路的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述驅(qū) 動電路由全波整流電路依次串接濾波電路、逆變器構(gòu)成。
5.一種如權(quán)利要求1所述的基于DSP控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的控制方法，其特 征在于所述方法如下采用電流檢測電路檢測永磁同步電機(jī)三相輸入電流的任意兩相電流la和lb ；然后采 用速度單位變換模塊讀取轉(zhuǎn)子速度傳感器輸出的速度信號計(jì)算得到永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的 實(shí)際轉(zhuǎn)速，采用電流矢量變換模塊讀取轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的電流信號計(jì)算得到永磁同步 電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子的角位移e，將實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定參考速度經(jīng)過減運(yùn)算環(huán)得到速度偏移量， 采用電流矢量變換模塊將所述速度偏移量經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器后的調(diào)節(jié)信號與角位移9利用 PI控制算法，得到定子的參考輸入電流；采用電流檢測電路檢測得到永磁同步電機(jī)的輸入 相電流矢量，調(diào)用Clarke變換模塊把相電流矢量從三相定子A_B_C坐標(biāo)系變換到兩相靜止 a -日坐標(biāo)系中；計(jì)算Sin 0和Cos 0，進(jìn)行Park變換，把相電流矢量從兩相靜止a - 0坐 標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)中；然后分別根據(jù)q坐標(biāo)軸和d坐標(biāo)軸上的相電流分量與參 考輸入電流的偏差，進(jìn)行電流環(huán)PI控制，把得到的新電流通過調(diào)用Park變換，將其變換回 兩相靜止a坐標(biāo)系中得到PWM生成器輸入信號；調(diào)用PWM生成器，計(jì)算得到PWM信號的 占空比，將產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)過功率驅(qū)動電路后得到驅(qū)動信號輸出至驅(qū)動電路，驅(qū)動三相 永磁同步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)完整的控制。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于DSP控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括電源、DSP模塊、驅(qū)動電路、電流檢測電路和傳感器組。所述方法根據(jù)檢測到的電動機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入的參考轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)距的關(guān)系，通過速度PI控制器計(jì)算得到定子電流參考輸入。提取定子相電流Ia和Ib，然后用Clarke變換將它們轉(zhuǎn)換到定子兩相坐標(biāo)系中，使用Park變換再將它們轉(zhuǎn)換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。d-q坐標(biāo)系中的電流信號再與它們的參考輸入相比較，通過PI控制器獲得理想的控制量?？刂菩盘栐偻ㄟ^Park逆變換，送到PWM逆變器，從而得到控制定子三相對稱繞組的實(shí)際電流。本發(fā)明簡化了系統(tǒng)的外圍設(shè)備，降低了系統(tǒng)的損耗。
文檔編號H02P6/08GK101860297SQ201010182329
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者張艷飛 申請人:東南大學(xué)