基于TMS320F28335的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

李玉峰，郭群，趙鑫1，

（1.沈陽航空航天大學(xué)，遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110136；2.沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，沈陽110136）

基于TMS320F28335的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

李玉峰1，2*，郭群2，趙鑫1，2

（1.沈陽航空航天大學(xué)，遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110136；2.沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，沈陽110136）

針對(duì)永磁同步電機(jī)（PMSM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，研究和設(shè)計(jì)了一款以浮點(diǎn)型TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為控制核心的永磁同步電機(jī)控制器。該控制器設(shè)計(jì)了三相全控橋式功率驅(qū)動(dòng)電路和過流、欠壓檢測(cè)，溫度監(jiān)控等檢測(cè)保護(hù)電路，能通過CAN總線連接外部顯示模塊以及RS232通信接口與上位機(jī)的高速通信并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，軟件部分采用空間矢量算法實(shí)現(xiàn)電流、速度和位置的精確控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制器精度高、響應(yīng)快、控制效果穩(wěn)定。

永磁同步電機(jī)；控制器；矢量控制；數(shù)字信號(hào)處理器

伴隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及電機(jī)控制理論的發(fā)展，永磁同步電機(jī)PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）控制系統(tǒng)的研究和推廣受到了人們的普遍重視［1-2］。永磁同步電機(jī)以其高精度、高可靠性以及寬調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn)逐步成為工業(yè)控制領(lǐng)域中一種常用的伺服電機(jī)［3-5］。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，高性能永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)系整個(gè)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。本研究在分析PMSM數(shù)學(xué)模型和矢量控制理論［6-8］的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款以32 bit浮點(diǎn)型DSP TMS320F28335芯片為控制核心的控制器。該控制器芯片與傳統(tǒng)定點(diǎn)型DSP（如TMS320F2812等）相比，能夠執(zhí)行更復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，可以節(jié)省代碼的執(zhí)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等。

1　總體方案設(shè)計(jì)

電機(jī)控制器以DSP TMS320F28335為核心，外圍由電源模塊、IGBT驅(qū)動(dòng)電路［9-10］、霍爾傳感器接口、信號(hào)檢測(cè)電路［11］、開關(guān)量輸入輸出電路、模擬量輸入輸出電路、232/CAN通信電路等組成。如圖1所示為電機(jī)控制器整體結(jié)構(gòu)。控制器根據(jù)霍爾傳感器反饋信號(hào)完成轉(zhuǎn)子的定位和測(cè)速，可以通過232通信接口接收來自上位機(jī)的控制指令，通過CAN通信接口［12］連接下位機(jī)的顯示系統(tǒng)，達(dá)到硬件實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。控制器內(nèi)部采用PID控制算法調(diào)解輸出PWM信號(hào)占空比完成轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，通過故障與保護(hù)電路對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行軟件的實(shí)時(shí)控制。

圖1　電機(jī)控制器整體結(jié)構(gòu)

2　控制器關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.2IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT驅(qū)動(dòng)器選用CONCEPT研發(fā)的驅(qū)動(dòng)器模塊。其基本框圖如圖2所示，該驅(qū)動(dòng)器包含最優(yōu)化且可安全驅(qū)動(dòng)的IGBT模塊所必須的所有元件及功能，使開關(guān)損耗最小的門極電阻、門極鉗位，有源鉗位二極管（關(guān)斷時(shí)的過壓保護(hù)），Vce檢測(cè)（短路保護(hù)），以及輸入電器連接器X1；電器連接X2接上熱敏電阻可以有效的對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控。甚至，還包含了半橋模式下，設(shè)置關(guān)斷跳閘電位，響應(yīng)時(shí)間和兩個(gè)通道之間死區(qū)時(shí)間的元件。

圖2　IGBT驅(qū)動(dòng)器原理圖

2.3信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.3.1母線電壓檢測(cè)電路

母線電壓檢測(cè)電路如圖3所示，通過電源模塊獲得母線電壓BUS+，將其分壓通過電容去除交流分量得到母線直流電壓，3 V穩(wěn)壓管起到過壓保護(hù)作用；5 V的輸入電壓和高輸入阻抗的光隔離放大器非常適合電機(jī)驅(qū)動(dòng)的隔離電壓要求，使用電阻式分壓電路來調(diào)解母線直流電壓以適應(yīng)電壓傳感器的輸入范圍，并在光隔離屏障的另一端產(chǎn)生正比于輸入電壓的差分輸出電壓。由于ADC單元不能處理差模信號(hào)，需將其轉(zhuǎn)換成共模信號(hào)，電阻R1起到過流保護(hù)作用，DB300用于保護(hù)DSP的ADC模塊的輸入端。

圖3　母線電壓檢測(cè)電路

2.3.2電流檢測(cè)電路

控制器通過電流傳感器獲得電機(jī)的三相電流，他們需要經(jīng)過隔離和保護(hù)后才能夠被ADC單元處理。其U相電流檢測(cè)電路如圖4所示，首先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過分壓與濾波調(diào)整為ADC模塊的輸入電壓，最后通過運(yùn)放保護(hù)、過流保護(hù)電阻R2以及過壓保護(hù)DB301送入ADC單元。V相和W相電流也采用同樣的方式進(jìn)行檢測(cè)。

圖4　U相電流檢測(cè)電路

2.3CAN總線設(shè)計(jì)

TMS320F28335片內(nèi)具有CAN控制模塊，可以與CAN收發(fā)器連接構(gòu)成一個(gè)CAN接口。在此之前加上一個(gè)雙通道光電隔離器進(jìn)行電路保護(hù)同時(shí)電平轉(zhuǎn)換將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，如圖5所示。當(dāng)總線的通信速度比較高，或者傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)，為了保持其高頻特性終端需要加上匹配電阻，如圖5中的R3和R4。

圖5　CAN接口電路

3　控制器軟件設(shè)計(jì)

基于SVPWM的PMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)如圖6所示。通過位置速度傳感器（旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾傳感器等）檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，并將其轉(zhuǎn)換為電角度。給定轉(zhuǎn)速nref和實(shí)際轉(zhuǎn)速n的誤差經(jīng)速度調(diào)節(jié)器（速度環(huán)）調(diào)節(jié)，得到轉(zhuǎn)子q軸電流的參考值isqref。定子相電流iA、iB通過電流傳感器獲得，經(jīng)Clack變換將其轉(zhuǎn)換到定子αβ坐標(biāo)系，再經(jīng)Park變換轉(zhuǎn)換到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。在dq坐標(biāo)系上，isq和isd與對(duì)應(yīng)的參考輸入進(jìn)行比較，通過電流調(diào)節(jié)器得到理想的控制參數(shù)，再經(jīng)過Park逆變換將信號(hào)還原到靜止坐標(biāo)系αβ中。最后空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）變換產(chǎn)生六路PWM脈寬調(diào)制信號(hào)給逆變器控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖6　基于SVPWM的PMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)

控制器軟件主要由主程序和若干子程序構(gòu)成。主程序完成AD模塊、I/O模塊、PWM模塊、CAP模塊、CAN模塊、外部中斷模塊等的初始化配置然后讀取初始化變量最后進(jìn)入狀態(tài)機(jī)的主循環(huán)，主程序框圖如圖7所示。

圖7　主程序流程圖

在中斷服務(wù)子程序中完成FOC控制算法，其流程圖如圖8所示。FOC模塊利用相電流反饋值與參考值進(jìn)行電流環(huán)調(diào)解并輸出SVPWM調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率管，從而控制電機(jī)按照命令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

圖8　FOC控制算法流程圖

4　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

永磁同步電機(jī)主要參數(shù)有：額定轉(zhuǎn)速2 400 r/min，額定電壓330 V，額定電流150 A，額定轉(zhuǎn)矩160 N·m，磁極對(duì)數(shù)10個(gè)。為了驗(yàn)證該控制器的性能，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)由電池組、測(cè)功機(jī)、功率分析儀、永磁同步電機(jī)以及永磁同步電機(jī)控制器組成。測(cè)功機(jī)電機(jī)為扭矩控制模式，被測(cè)控制器電機(jī)系統(tǒng)為速度控制模式，母線電壓為直流330 V，簡(jiǎn)單風(fēng)扇冷卻（距離2 m吹風(fēng)），室內(nèi)溫度20℃。

根據(jù)電機(jī)手冊(cè)里介紹的能承受的各種指標(biāo)，每增加200 r/min速度（直到增加到2000 r/min）下，額定扭矩（160 N·m）測(cè)量電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速度、電機(jī)實(shí)際扭矩（如圖9所示），直流母線電流、直流母線電壓（如圖10所示），A相母線電流、A相母線電壓（如圖11所示），系統(tǒng)功率（如圖12所示）等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖9　電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、扭矩曲線

圖10　直流母線輸出電壓、電流曲線

圖11　電機(jī)A相電流、電壓有效值曲線

圖12　電源輸入電功率、系統(tǒng)機(jī)械功率曲線

由圖9可知電機(jī)扭矩基本保持在160 N·m，電機(jī)轉(zhuǎn)速每分鐘增加200轉(zhuǎn)；圖10～圖12表示分別為在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下測(cè)得的直流母線輸出電壓、電流，電機(jī)A相電流、電壓，電源輸入功率和系統(tǒng)的機(jī)械功率。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：母線輸出電壓保持在330 V左右，其輸出電流會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加更增加；A相電流有效值大約為150 A，其電壓有效值隨著轉(zhuǎn)速的增大而變大；電源輸入電功率和系統(tǒng)機(jī)械功率都與轉(zhuǎn)速成正比。

5　結(jié)論

本文介紹了以浮點(diǎn)型TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為控制核心的永磁同步電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，給出了整個(gè)控制器以及不同子模塊的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)證明該控制器控制功能強(qiáng)、保護(hù)功能完善、工作性能穩(wěn)定，擁有廣泛的應(yīng)用前景。

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李玉峰（1969-），男，漢族，吉林省德惠市人，沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院院長(zhǎng)，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹娇针娮有畔⒓夹g(shù)，li_yufeng@126.com；

郭群（1990-），男，漢族，遼寧省沈陽人，沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹娇针娮有畔⒓夹g(shù)，839818778@qq.com；

趙鑫（1977-），男，滿族，遼寧省沈陽市人，沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院講師，主要研究方向控制理論與控制工程和信號(hào)處理，819049887@qq.com。

Design of controller for PMSM Based on TMS320F28335

LI Yufeng1，2*，GUO Qun2，ZHAO Xin1，2
（1.Liaoning Key Laboratory of General Aviation，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2.College of Electronic and Information Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

According to the simple structure，high-efficiency and high power factor of permanent magnet synchro?nous motor（PMSM），a controller for permanent magnet synchronous motor based on float-point digital signal proces?sor（DSP）TMS320F28335 was researched and designed.The controller contains three-phase full-bridge driving cir?cuit，over current sampling circuit and under voltage sampling circuit，temperature sampling circuit and so on.It can connect to the external display module by CAN bus and has capability of high-speed communication with the host via by RS232 interface and real-time data exchange.In software part，space vector algorithm is adopted to pre?cise control of current，speed and position.The experimental results show that the controller has the characteristics of high precision，fast response and the stability of the control effect.

permanent magnet synchronous motor；controller；vector control；digital signal processor

TM341

A

1005-9490（2016）02-0437-05

EEACC：8310D10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.038

2015-05-19修改日期：2015-06-26