同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)*

康春生 袁清珂** 杜湛博

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 2.廣東中能加速器科技有限公司）

1 引言

交流伺服電機(jī)正越來越多地應(yīng)用于機(jī)電一體化、工業(yè)機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)等高科技領(lǐng)域。目前流行的交流電機(jī)控制方法主要有矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。傳統(tǒng)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)主要采用模擬器件實(shí)現(xiàn)，但由于模擬器件計(jì)算能力有限，很難滿足現(xiàn)代矢量控制算法的要求。

交流電機(jī)是一個強(qiáng)耦合、多變量、非線性的時變系統(tǒng)，因此，對其進(jìn)行矢量控制通常需要較大的實(shí)時計(jì)算量和較多硬件外設(shè)的支持。本系統(tǒng)采用 TI公司電機(jī)控制專用處理器 TMS320F2812實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制，達(dá)到控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單可靠、控制精度高、實(shí)時性強(qiáng)等要求[1～3]。

2 SVPWM控制策略

空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）是從電動機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電動機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機(jī)的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，用逆變器的不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際矢量來追蹤基準(zhǔn)磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)模式，形成 PWM 波[4～6]。它具有易于數(shù)字化控制、直流電壓利用率高、轉(zhuǎn)矩脈動小等優(yōu)點(diǎn)。SVPWM可以在TMS320F2812中通過程序計(jì)算獲得，其步驟如下：① 計(jì)算電壓空間矢量V*；② 判斷V*所在扇區(qū)；③ 根據(jù)扇區(qū)分配矢量與作用時間；④ 裝載寄存器生成PWM信號。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)磁場定向控制的需要，結(jié)合永磁同步電機(jī)的矢量控制算法，并考慮充分利用數(shù)字處理器 DSP芯片自身的硬件資源，本系統(tǒng)的大部分運(yùn)算工作在軟件中實(shí)現(xiàn)，大大簡化了外圍硬件電路的設(shè)計(jì)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用F2812的事件管理器（Event Manager，EV）單元產(chǎn)生 PWM 輸出信號，通過TMS320F2812的正交編碼脈沖（Quadrature Encoder Pulse，QEP）單元接收編碼器的信號，通過F2812的AD單元檢測電壓及電流信號。根據(jù)產(chǎn)品系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件，如圖1、圖2 所示。

本系統(tǒng)的硬件電路主要由整流濾波電路模塊、功率驅(qū)動電路模塊、信號檢測電路模塊、TMS320F2812最小系統(tǒng)板等構(gòu)成。整流濾波電路的作用是將 220V的交流轉(zhuǎn)變成逆變器所需的直流母線電壓；功率驅(qū)動電路的作用是利用控制回路TMS320F2812最小系統(tǒng)板輸出的脈寬調(diào)制信號控制逆變器中功率管的開關(guān)情況，從而將輸入逆變器的直流母線電壓變換成三相交流電驅(qū)動電機(jī)，功率驅(qū)動電路模塊主要由逆變電路、光耦隔離驅(qū)動電路和過壓、過流保護(hù)電路組成；信號檢測模塊的作用是識別與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)的各種信號，以此作為控制回路的輸入信號，并通過A/D轉(zhuǎn)換將該信號轉(zhuǎn)化為可供DSP實(shí)時處理的數(shù)字信號。

圖1 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖

4 軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

本系統(tǒng)使用的軟件平臺是TI公司的集成編譯環(huán)境CCS3.3，由C語言和匯編語言混合編程，并采用模塊化的編程設(shè)計(jì)思想，以便管理和修改。控制系統(tǒng)的軟件主要由三部分組成：主程序、初始化程序、中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)初始上電或復(fù)位后首先執(zhí)行初始化程序，實(shí)現(xiàn)對 DSP內(nèi)部各功能模塊工作模式的設(shè)定和初始狀態(tài)的檢測，完成上述工作后系統(tǒng)執(zhí)行主程序，當(dāng)中斷發(fā)生時，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。

本系統(tǒng)應(yīng)用于模擬定位機(jī)機(jī)架的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，為滿足機(jī)架每分鐘一圈的轉(zhuǎn)速和精確的角度定位，需實(shí)時采集機(jī)架位置及轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速信息通過編碼器脈沖提取；位置信息通過采集精密電阻器上的電壓，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換取得。將轉(zhuǎn)速和位置信息送入雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器，即可使機(jī)架勻速穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)的主要工作都在定時器中斷服務(wù)子程序中完成，其程序框圖如圖3 所示。

圖3 定時器中斷子程序

功率保護(hù)中斷子程序，由DSP的PDPINTA引腳上的信號下降沿觸發(fā)。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，功率保護(hù)中斷子程序能夠?qū)χ麟娐愤^流和過壓、IPM過溫等系統(tǒng)故障做出響應(yīng)，可以在故障發(fā)生時關(guān)閉DSP的PWM，使控制器停機(jī)，從而避免主電路燒壞。

捕獲中斷子程序，用來捕獲光電編碼盤的 Z脈沖，電動機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈就會有一個Z脈沖，作用是為角度計(jì)算提供基準(zhǔn)值，為新的一周提供初始參考角度，這樣可以防止A、B脈沖信號帶來的累計(jì)誤差。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：① 充分利用TMS320F2812片上的豐富外設(shè)資源和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡單可靠，滿足了永磁同步電機(jī)矢量控制的要求；② 全數(shù)字化控制策略使系統(tǒng)在控制精度、功能和抗干擾能力上有了很大的提高；③ 在充分利用 DSP內(nèi)部資源的條件下，只須附加較少的電路元件即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)定的功能和性能，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)合理又保證了系統(tǒng)的實(shí)時性和穩(wěn)定性。本文的研究已應(yīng)用模擬定位機(jī)，取得了良好的效果。

[1]王曉明.電動機(jī)的DSP控制——TI公司DSP應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[2]眭相林,許倫輝,劉風(fēng)磊,等.基于 TMS320F2812的永磁同步電機(jī)位置隨動系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2008.7.

[3]杜春洋,王宇超.零基礎(chǔ)學(xué) TMS320F281x DSP C 語言開發(fā)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[4]徐科軍,陳志輝,傅大豐. TMS320F2812 DSP應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[5]蘇奎峰,蔡昭權(quán),呂強(qiáng),等.TMS320X281x DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[6]李廣濤.基于TMS320F2812的交流感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)[D].南京:南京航空航天大學(xué),2009.