DSP電機控制綜合實驗平臺研制

盧慧芬，林 斌，孫 丹，潘再平

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

數(shù)字信號處理器(DSP)具有靈活、抗干擾能力強、運行速度快、易于升級、擴展性強、外設(shè)豐富等優(yōu)點。隨著微處理器的不斷發(fā)展和DSP性價比的不斷提高，DSP已廣泛應(yīng)用于通信、家用電器、航天設(shè)備、工業(yè)測量、工業(yè)控制、生物醫(yī)學(xué)工程及軍事領(lǐng)域[1-2]。

掌握必要的DSP知識是電氣工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需要。為滿足專業(yè)教學(xué)需求，我校為電氣工程及自動化專業(yè)開設(shè)了DSP相關(guān)課程，包括微機原理與應(yīng)用、電氣裝備課程設(shè)計、DSP在機電控制中的應(yīng)用等課程。作為應(yīng)用性極強的課程，除了介紹DSP的基礎(chǔ)知識，還要求學(xué)生將理論知識運用到實踐中，故完整可靠的DSP實驗平臺必不可少。

經(jīng)過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前銷售的DSP實驗平臺存在模塊組合種類不足、硬件資源匱乏、功能較為單一等缺點，無法滿足DSP實驗教學(xué)的需求，為此我們自主開發(fā)了DSP電機控制綜合實驗平臺。在經(jīng)過多次的討論修改之后，研制的DSP電機控制綜合實驗平臺已批量生產(chǎn)。鑒于DSP在電機控制[3-4]中的重要作用，制定了相關(guān)實驗內(nèi)容[5]，包括控制直流電機、永磁無刷電機、三相永磁同步電機調(diào)速實驗等3個綜合實驗已成功用于實際教學(xué)中，在學(xué)生中獲得良好反響。該平臺在滿足課程要求外，還為本科生畢業(yè)設(shè)計、大學(xué)生科研項目計劃(SRTP)、各類學(xué)科競賽及科研提供了服務(wù)。

1 DSP電機控制綜合實驗平臺

我們開發(fā)的DSP電機控制綜合實驗平臺以模塊化、實用性、安全性、高可靠性為指導(dǎo)思想，經(jīng)多次討論修改，最終實驗平臺實物圖見圖1。該實驗平臺由箱內(nèi)供電電源、箱體上DSP電機控制核心板、DSP仿真器、各功率模塊實驗板和有關(guān)控制對象等組成。該實驗平臺的總體框架見圖2，其由DSP電機控制核心板、直流電機調(diào)速模塊、無刷直流電機調(diào)速模塊、三相交流永磁同步電機(以下簡稱永磁同步電機)調(diào)速模塊4部分組成，涉及到3種常見電機的調(diào)速，能完全滿足學(xué)生掌握DSP在電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用以及工程實際的需求。

圖1 DSP電機控制綜合實驗平臺實物圖

圖2 DSP電機控制綜合實驗平臺總體框架圖

1.1 DSP電機控制核心板

TMS320C28x系列是TI公司最新推出的數(shù)字信號處理器，是目前市場上最先進、功能最強大的32位定點數(shù)字信號處理器之一，它既有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大量數(shù)據(jù)處理的場合，如工業(yè)自動化控制、電機伺服控制系統(tǒng)等[1]。為了能夠?qū)崿F(xiàn)電機控制中大部分先進算法，給學(xué)生拓展與創(chuàng)新提供更多條件，本實驗平臺中的DSP電機控制核心板的主控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812芯片。

主實驗電路板充分利用了TMS320F2812芯片資源，它提供了豐富的DSP外圍電路，硬件采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，各模塊之間可靈活組合，操作方便、直觀，用途廣泛。核心板的主框圖如圖3所示，主要由電源、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、PWM輸出、復(fù)位電路、JTAG接口、保護電路、速度位置信號輸入等部分組成。為方便學(xué)生實驗操作，在主控制板上加入了鍵盤輸入、數(shù)字顯示等部分。由于本實驗平臺的實驗?zāi)康氖亲寣W(xué)生熟悉掌握DSP的原理與應(yīng)用，我們在該實驗平臺設(shè)置了信號輸入調(diào)理電路，并與DSP的模擬信號輸入引腳相連。學(xué)生實驗時，只要通過互感器將信號連接到裝置上，就可以對電流、電壓信號同時進行處理，省去了設(shè)計調(diào)理電路的時間，讓學(xué)生用更多的精力放在熟悉DSP的應(yīng)用上[6]。該電機控制核心板主要完成了信號調(diào)理和主控功能。該控制核心板可以作為電機通用開發(fā)平臺,可以控制種類較多的電機，這為學(xué)生實現(xiàn)自己的創(chuàng)新想法提供了可能。

圖3 DSP電機控制核心板的主框圖

1.2 直流電機驅(qū)動模塊

直流電機易于調(diào)速，且具有良好的機械特性，能在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、啟動、制動和正反轉(zhuǎn)等，目前在傳動領(lǐng)域中占有重要的地位[3]。本直流電機調(diào)速實驗采用額定電壓為5V、額定轉(zhuǎn)速為5000r/min，額定電流為30mA的直流電機。考慮到直流電機常工作在正反轉(zhuǎn)的場合，需要使用可逆PWM系統(tǒng)，故應(yīng)用H型雙極性驅(qū)動電路[7]，如圖4所示。根據(jù)運行控制要求和電機實際反饋情況，改變DSP輸出PWM信號的占空比，從而改變施加于電機端部的電壓，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制。

圖4 H型雙極性驅(qū)動電路

1.3 無刷直流電機驅(qū)動模塊

無刷直流電機(BLDCM)是近年來發(fā)展起來的融合多學(xué)科技術(shù)的一種新型電機，是典型的機電一體化產(chǎn)品，具備有刷直流電機效率高、起動和調(diào)速性能好的優(yōu)點；由于取消了電刷和換向器，又具有壽命長、可靠性高、噪音低等優(yōu)點。目前BLDCM廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、醫(yī)療器械、儀器儀表、過程控制、機車工業(yè)、紡織工業(yè)以及家用電器等領(lǐng)域[8-10]。為此有必要通過實驗加深學(xué)生對BLDCM的理解。本無刷直流電機調(diào)速實驗?zāi)K，采用額定電壓為24V、額定轉(zhuǎn)速為6000r/min、額定電流為0.6A的無刷直流電機，其實驗原理圖如圖5所示。根據(jù)霍爾信號傳感器獲取的BLDCM轉(zhuǎn)子位置和電流傳感器得到的電流信號，給出6路帶有可控占空比的PWM控制指令，利用IPM集成模塊直接驅(qū)動電機，實現(xiàn)調(diào)速。此外，電路板上帶有過壓保護、故障檢測、過流檢測、轉(zhuǎn)速保護等保護電路，有效地保障了電路的安全，能避免因?qū)W生實驗誤操作造成電路損壞。

1.4 永磁同步電機驅(qū)動模塊

永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、重量輕以及具有較高的效率和功率因數(shù)等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人、數(shù)控機床、柔性制造系統(tǒng)的各種自動化設(shè)備等領(lǐng)域[11]。本永磁同步電機調(diào)速實驗?zāi)K采用額定功率為200W、額定轉(zhuǎn)速為3000r/min的永磁同步電機，其實驗原理圖見圖6。利用DSP內(nèi)部資源采集電機的反饋量，包括定子相電流、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，以此為依據(jù)產(chǎn)生可控制的脈沖驅(qū)動三相橋式逆變器，進而控制逆變器的輸出電壓，改變該永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)該電機的全數(shù)字變頻調(diào)速。

圖5 無刷直流電機控制原理圖

圖6 永磁同步電機實驗原理圖

2 實驗項目

DSP電機控制綜合實驗平臺可實現(xiàn)直流電機、無刷直流電機、永磁同步電機等調(diào)速實驗。3種電機系統(tǒng)所對應(yīng)的控制算法與驅(qū)動電路均有所不同，控制算法由共同的DSP控制核心板實現(xiàn)。核心板采用TMS320F2812芯片，集成了PWM控制信號發(fā)生模塊，通過調(diào)整事件管理器的定時器來控制寄存器設(shè)定PWM工作方式和頻率，調(diào)整比較值及調(diào)節(jié)PWM的占空比，調(diào)整死區(qū)控制寄存器、設(shè)定死區(qū)時間，輸出占空比可調(diào)的帶有死區(qū)PWM控制信號，利用功率驅(qū)動模塊實現(xiàn)對電機的控制。

2.1 直流電機調(diào)速實驗

直流電機調(diào)速實驗是3個電機綜合實驗中最簡單的實驗，但對于學(xué)生理解電機最基本的控制原理有極大幫助。因此該實驗要求學(xué)生提前復(fù)習(xí)直流電機、電力電子技術(shù)、電機控制等相關(guān)知識。在實驗過程中分組討論，每一個小組需完成單路PWM開環(huán)程序和雙路PWM開環(huán)程序，分析兩種開環(huán)程序的相同與不同、優(yōu)點和缺點；通過操作面板上的按鍵進行開環(huán)調(diào)速，讓學(xué)生明白調(diào)節(jié)PWM占空比實現(xiàn)電機調(diào)速的原理，同時利用紅外傳感器測定電機轉(zhuǎn)速方向;在以上基礎(chǔ)上最終完成PID算法閉環(huán)程序，包括轉(zhuǎn)速閉環(huán)和電流閉環(huán)。

本次實驗的主要目的是使學(xué)生了解DSP和MCU組成的雙CPU全數(shù)字電機控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，熟悉數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的原理，理解直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，通過與實際應(yīng)用相結(jié)合，幫助學(xué)生加強對理論知識的認識，增強動手能力。

2.2 無刷直流電機調(diào)速實驗

無刷直流電機調(diào)速實驗與直流電機調(diào)速實驗使用同一塊DSP電機控制核心板，但其驅(qū)動模塊不同，而且無刷直流電機及其調(diào)速系統(tǒng)的工作原理相對直流電機要復(fù)雜許多。故本實驗分多個課時段，首先課程教學(xué)對無刷直流電機的工作原理和控制原理進行介紹，讓學(xué)生了解霍爾信號傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置的原理，在不同轉(zhuǎn)子位置施加不同電壓矢量實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)向控制的原理等，以期學(xué)生在實驗過程中保持思路清晰，忙而不亂。在實驗教學(xué)中，讓學(xué)生先通過示波器觀察不同轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號，了解霍爾信號對獲取實際轉(zhuǎn)子位置的作用;然后利用霍爾信號編寫相對應(yīng)的開關(guān)指令，使電機能根據(jù)要求運動;在電機正常運轉(zhuǎn)之后，與直流電機調(diào)速實驗相似，調(diào)節(jié)PWM占空比，改變電機轉(zhuǎn)速;最后同樣要求學(xué)生進行無刷直流電機的速度閉環(huán)PID控制。

本次實驗的目的在于使學(xué)生了解以DSP為核心構(gòu)成的數(shù)字控制無刷直流電機調(diào)速實驗系統(tǒng)的硬件與軟件結(jié)構(gòu)，了解數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的原理，掌握無刷直流電機的工作原理以及理解無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。

2.3 永磁同步電機調(diào)速實驗

在經(jīng)過上述2次實驗之后，學(xué)生對DSP電機調(diào)速已有了一定程度的理解，但還需要更完整的電機運動控制實驗，以培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)考慮問題和解決問題的能力。故開設(shè)永磁同步電機調(diào)速實驗。該實驗為三相交流永磁同步電機磁場定向控制(FOC)，可從TI公司網(wǎng)站下載，其中包含實驗主程序和算法所需的各種模塊，如PARK變換、PID程序、QEP測速模塊等。各個模塊是以函數(shù)的形式出現(xiàn)在主程序中，具體的程序編寫在各自的子程序中，因此永磁同步電機實驗的程序是一個具有極強系統(tǒng)性和綜合性的程序。為了幫助學(xué)生理解，對程序關(guān)鍵部分進行了詳細注釋，希望學(xué)生養(yǎng)成模塊化、結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的思考方式。學(xué)生實驗時，要求首先完成DSP生成PWM波形，對永磁同步電機實現(xiàn)開環(huán)控制；然后進行電流環(huán)采集電流和電流環(huán)閉環(huán)控制；最后加入速度環(huán)，進行速度環(huán)轉(zhuǎn)速采集和閉環(huán)控制實驗。從內(nèi)環(huán)開始調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生把握重點，逐步解決問題的能力。

本次實驗的目的是使學(xué)生了解永磁同步電機的結(jié)構(gòu)和工作原理及DSP為核心構(gòu)成的全數(shù)字控制交流伺服系統(tǒng)的硬件與軟件組成，并且掌握永磁同步電機磁場定向控制(FOC)的工作原理和永磁同步電機電流環(huán)和速度環(huán)PID參數(shù)設(shè)計原理。

3 永磁同步電機矢量控制實驗的實現(xiàn)

矢量控制是現(xiàn)代先進的電機控制技術(shù)之一，其基本思想是通過坐標(biāo)變換，將三相定子電流分解為與轉(zhuǎn)子磁通同方向的等效勵磁電流及轉(zhuǎn)子磁通方向垂直的等效轉(zhuǎn)矩電流。由于勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流相互正交，無耦合，并且在同步速轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中是一組直流標(biāo)量，能夠像直流電機那樣實現(xiàn)對磁場和轉(zhuǎn)矩的分別控制，獲得良好的調(diào)速特性[3]。本節(jié)以永磁同步電機矢量控制的實現(xiàn)為例，驗證DSP電機控制平臺以及實驗設(shè)計的可行性。

3.1 永磁同步電機矢量控制策略

根據(jù)用途的不同，永磁同步電機矢量控制方法主要有轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中d軸電流id=0控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、cosφ=1即單位功率因數(shù)控制、弱磁控制、恒磁鏈控制及最大輸出功率控制等[12]。其中，id=0的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)基本框圖如圖7所示。

圖7 id=0永磁同步電機矢量控制框圖

3.2 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

矢量控制系統(tǒng)的軟件分為主程序和2個中斷服務(wù)子程序(INT2和INT3)，各程序的流程圖如圖8所示。主程序主要進行系統(tǒng)的初始化，包括變量、系統(tǒng)時鐘和定時器的初始化，并使能中斷，等待中斷產(chǎn)生。

圖8 程序流程圖

矢量控制算法在INT2中斷服務(wù)子程序中進行，中斷由定時器直接產(chǎn)生。INT3中斷完成編碼器對速度信號的采集。

3.3 實驗研究

實驗用永磁同步電機參數(shù)：額定功率200W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定線電壓為119.8V，額定線電流為1.265A，定子電阻為15.42Ω，極對數(shù)為4。利用本文設(shè)計的平臺對該永磁同步電機進行空載實驗，設(shè)置給定轉(zhuǎn)速為600r/min。

圖9為永磁同步電機到達指定轉(zhuǎn)速600r/min的波形。圖9中ωr為電機轉(zhuǎn)速、θe為電機轉(zhuǎn)子位置的電角度、TA為A相調(diào)制比，Ia為定子A相電流、id為勵磁電流、iq為轉(zhuǎn)矩電流。

從電機轉(zhuǎn)速ωr的波形可知，永磁同步電機穩(wěn)定加速至給定轉(zhuǎn)速600r/min，之后平穩(wěn)運行。A相調(diào)制比表現(xiàn)為一馬鞍波，證明采用的調(diào)制技術(shù)為空間電壓矢量調(diào)制策略SVPWM。

從電流波形可知，在電機剛啟動時有一較大的啟動電流。在電機達到給定轉(zhuǎn)速之后，電流幅值逐漸降至為零，但存在較小脈動。

圖9 實驗結(jié)果波形

4 總結(jié)

我們開發(fā)的DSP電機控制綜合實驗平臺具有以下特點：

(1) 采用模塊組合結(jié)構(gòu)：實現(xiàn)了DSP核心板和直流電機、無刷直流電機、三相交流永磁同步電機及其功率控制電路模塊可標(biāo)準插拔，便于實驗拓展和設(shè)備的維護；

(2) 硬件資源豐富：將所有的硬件資源都集中在一個實驗平臺上，包括DSP核心芯片、A/D預(yù)處理電路、功率驅(qū)動模塊等，可實現(xiàn)多種功能，并能有效減少實驗平臺體積；

(3) 控制對象豐富：被控對象有直流電機、無刷直流電機、三相交流永磁同步電機，完全能滿足學(xué)生的實驗需求，還可根據(jù)情況增加異步電機等電機類型進行實驗教學(xué)；

(4) 控制程序開放：作為實驗平臺，充分考慮了電機控制程序的核心算法的開放和與提供的系統(tǒng)程序的無縫連接，為學(xué)生實現(xiàn)不同的控制算法提供可能，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生的創(chuàng)造力；

(5) 兼容應(yīng)用與開發(fā)：該平臺除了基本的3種不同電機調(diào)速控制之外，還可植入不同的控制算法，以深刻理解不同電機工作原理和控制方法。

本DSP電機控制創(chuàng)新平臺和綜合實驗為學(xué)生熟悉并掌握DSP應(yīng)用和相關(guān)電機控制技術(shù)提供了便利，取得了較好的教學(xué)效果。

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