基于DSP的交流永磁同步電機控制系統設計

摘 要：隨著電力電子技術、微電子技術、電機制造技術、現代控制理論和計算機技術的發展，交流永磁同步電機交流矢量控制系統以其控制精度高、可靠性強等優點得到了廣泛的應用。由于受電機參數變化、負載擾動等因素的影響，要獲得高性能的永磁同步電機矢量控制系統，必須設計高精度和高可靠的伺服控制器，使系統具有較強的適應性和較強的抗干擾能力。因而，文章研究基于DSP的交流永磁同步電機矢量控制系統。

關鍵詞：永磁同步電機；伺服控制器；DSP；矢量控制

引言

隨著永磁同步電動機的廣泛應用，以永磁同步電動機作為被控對象的控制系統研究得到了越來越多的關注，并己成為了當前的熱點課題。文章從三相交流永磁同步電機的結構出發，分析其工作原理，建立起簡單的數學模型。控制系統采用TI公司的DSP芯片作為系統控制器和PI作為控制算法，進行相應的硬件系統和軟件系統設計。

1 矢量控制的基本原理

經典的SPWM控制主要目的是使逆變器輸出電壓盡量接近正弦波。也就是說，希望輸出的PWM電壓波形的基波成分盡量大，諧波成分盡量小。由于電流波形還會受負載參數的影響，而且交流電機需要輸出三相正弦電流的最終目的是在空間產生圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩。因此，可以將逆變器和電機視為整體，按照跟蹤圓形旋轉磁場的方法來控制PWM信號，這樣的控制方法叫做“磁鏈跟蹤控制”。由于磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以稱之為“電壓空間矢量控制”。

2 系統硬件設計

系統硬件包括以下幾個部分：DSP控制模塊，IPM模塊，系統的主電源與開關電源模塊，位置與速度傳感器信號處理模塊，電流采樣與處理模塊，主電路保護模塊，故障信號處理模塊等。硬件整體結構如圖1所示：

由圖1可知，控制部分采用了TI公司生產的TMS320F2407DSP作為處理器。該處理器主要負責執行系統整體控制策略，處理輸入輸出信號及產生PWM信號，此外也負責實現RS232、CAN總線及JTA6等接口的通信功能。IPM是系統的主電力驅動模塊，內部不僅集成了高性能IGBT開關器件及其驅動電路，還具有過流、短路、過熱及欠壓等故障信號的輸出，是完成電機變頻控制逆變環節的電力電子器件；電源部分為系統的各個模塊進行供電。系統大體分為控制模塊、驅動模塊、人機交互模塊三個部分。

3 系統軟件設計

在硬件基礎上根據交流永磁同步電機控制系統需要實現的各項功能進行軟件設計，是本控制系統中很重要的一部分。只有把硬件和軟件緊密配合、協調一致，才能構成高性能的應用系統。整體程序分為主程序和中斷服務子程序兩大部分。主程序主要作用是完成系統初始化和相關參數變量的賦值，然后進入循環等待狀態，當中斷信號到來時響應并執行相應的中斷服務子程序。

中斷服務子程序包括PWM中斷服務子程序和外部中斷保護子程序。整個矢量控制系統的主要控制思想：電流檢測反饋、速度和位置采集、速度和電流的PI調節、矢量變換以及SVPWM等功能都在PWM中斷服務子程序中完成。此中斷模式以一定周期循環執行。PWM頻率的選擇要與電機的機電常數相適應，文章選擇的PWM頻率為10KHz即采樣周期T為100us。系統軟件的中斷服務子程序流程框圖如圖2所示。

4 結束語

文章研究并設計了基于DSP的交流永磁同步電機控制系統，并收到了較好的控制效果。交流永磁同步電機控制是一個復雜的課題，由于學識水平、時間等各方面的限制，與系統特定功能的實現還有一段距離，有待于在將來的科研實踐中進行進一步的研究，在后續研究中可以采用譬如模糊控制等更為先進的控制算法，可以對硬件選型進行優化，并優化軟件編程。

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作者簡介：劉宇卓（1991-），男，民族（漢族），籍貫：吉林省四平市，工作單位：中南大學，職務：學生，學位：本科，研究方向：信號與信息處理、工業過程控制。