永磁同步電機直接轉矩控制硬件在環實驗平臺設計及實現＊

林立，呂金培，林敏之

（1．多電源地區電網運行與控制湖南省重點實驗室，湖南 邵陽 422000；2．邵陽學院電氣工程學院，湖南 邵陽 422000；3．邵陽資水科技有限公司，湖南 邵陽 422000）

隨著電力電子技術和稀土永磁材料的發展，永磁同步電機的發展及應用受到了高度重視，對其控制策略的研究也成為關注的重點[1]，永磁同步電機因其具有體積小、功率因數高、轉動慣量低等優越性能逐漸在工業行業領域和日常生活中成為主流[2]。數字信號處理器（Digital Signal Processing，DSP）具有實時性強、精度高、速度快、可擴展性強等優點[3]。本文設計實現了永磁同步電機直接轉矩控制硬件在環實驗平臺，該平臺以TMS320F28335 DSP核心板為核心，設計開發了整流、隔離驅動、檢測、通信等硬件模塊，實現了電機的直接轉矩控制策略。該實驗平臺在科研過程中取得了良好的效果，為相關專業及科研人員提供了專業實踐平臺。

1 實驗平臺的結構與功能

永磁同步電機直接轉矩控制硬件在環實驗平臺結構框圖如圖1所示。整個系統由上位機、控制器、傳感器和主電路四個部分組成。上位機通過CH430轉換芯片將USB轉串口，實現與控制器的通訊；控制器采用TMS320F28335 DSP，本實驗所使用到控制器外設主要有SCI串口通訊模塊、ePWM脈沖發生模塊、QEP光電編碼器解碼模塊、AD模／數轉換模塊。傳感器使用到了增量式光電編碼器，其中電流傳感器采集A、B兩相電流信號經DSP28335的AD模塊輸入控制器內。主電路中主要包括直流電源，逆變器和驅動電機三部分。

圖1 硬件連接圖

1．1 上位機

上位機負責利用代碼生成技術編寫模塊化程序，并利用串口與實驗平臺通訊，通過監控界面實現對電機運行狀態的在線觀測與實時控制。

1．2 控制器

本平臺的核心控制器采用TMS320F28335芯片，該DSP芯片具備一個能夠支持32位浮點運算的32位定點數字信號控制器，與以往的定點DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設集成度高，數據以及程序存儲量大，A／D轉換更精確快速[4]。它采用內部1．9V供電，外部3．3V供電，且主頻高達150MHz。DSP適用于電機控制的ePWM、eCAN、ADC、SCI和SPI等外設完成各自的功能與任務。

1．3 主電路

主電路中主要包括直流電源，逆變器和驅動電機三部分。其中驅動電機由永磁同步電機及負載電機組成，永磁同步電機參數如表1所示。負載電機及聯軸器模塊如圖2所示。直流電機通過單獨的電機驅動控制器進行控制，通過PWM占空比調速的方式，實現對負載直流電機扭矩的控制。

表1 永磁同步電機參數

圖2 永磁電機與負載模塊連接示意圖

聯軸器采用梅花聯軸器，兩側軸徑分別為8mm和14mm，分別連接直流電機輸出軸及永磁電機輸出軸，這樣通過永磁電機——聯軸器——直流電機相連的方式為永磁電機提供帶負載模塊。

永磁同步電機直接轉矩控制硬件在環實驗平臺中整流濾波電路可接220V市電直接進行操作，但考慮到實驗的安全性、可靠性及電源質量，故選擇外接直流電源供電。

2 實驗平臺硬件電路設計

永磁同步電機直接轉矩控制硬件在環實驗平臺控制功能全部由軟件實現。硬件電路的設計主要包括：DSP最小系統、整流濾波電路、逆變驅動電路、電流檢測電路、轉速位置檢測電路等。

2．1 DSP最小系統

DSP最小系統就是能夠保證DSP可以正常工作的最少硬件構成。一個DSP最小系統包括DSP芯片本身、復位電路，時鐘電路、電源變換電路、JTAG仿真接口等[5]；對于TMS320F28335 DSP，其具有片上Flash，0TPROM及SARAM存儲器在設計最小應用系統時無需考慮外部存儲器接口問題。

2．2 整流濾波電路

整流電路可分為不可控整流和可控整流，整流電路的主要作用是對交流進電進行整流，經濾波電路濾波后得到的直流電提供給控制電路和逆變器。本系統采用單相不可控橋式整流，其具有較大的紋波，所以需要選用較大幅值的濾波電容。濾波電容的功能主要有兩點：一是過濾電壓紋波，二是當負載變化時，使直流電壓保持平穩。加入濾波電路對整流電路輸出進行濾波以保證能夠得到較高質量的直流電流和電壓提供給控制電源和逆變電路。

2．3 逆變驅動電路

電機控制的驅動器采用IR2110S芯片。IR2110S芯片通過控制6個IGBT的導通和關斷順序，從而達到控制電機轉速和正反轉的目的。

2．4 電流檢測電路

由于電機繞組是對稱的，所以只需通過霍爾電流傳感器檢測U、V兩相電流。霍爾電流傳感器檢測到的電流經過比例放大，送到DSP的ADC引腳進行采樣，以數字量代替模擬量，將其轉換為U相與V相可檢測的電壓信號，同時為了防止輸入模擬電壓過高或過低以及消除電流反饋信號中的噪聲信號，還需要加入模擬輸入量的濾波和限幅環節。

2．5 轉速和位置檢測電路

采用M法測速，由于作為被控對象的永磁同步電機自帶增量式編碼器，其輸出A、B、Z、U、V、W 6路差分信號，加上2路電源共14條線，取A、B、Z 3路差分信號及2路電源通過YXQJ－5VBMQ編碼器轉換模塊轉換為QEP正交編碼器A、B、I、5V電源及地，5根線接入DSP的QEP相應接口。

3 實驗平臺軟件設計

實驗平臺軟件設計由DSP主程序和上位機監控界面程序組成。

3．1 DSP主程序設計

主程序流程圖如圖3所示。主程序先進行初始化，初始化包括看門狗電路的設置，CPU級中斷屏蔽寄存器的設置；然后關總中斷；接著進行PIE控制寄存器、PIE矢量表、GPIO寄存器、SCIB寄存器、事件管理器EV的初始化；設置CPU定時器；在完成所有的初始化工作后，完成中斷服務入口地址的設置后開總中斷，等待循環。

圖3 主程序流程圖

永磁同步電機直接轉矩控制系統主程序如圖4所示。DSP主程序通過代碼生成功能將其轉化為C代碼程序，運行在CCS軟件開發平臺下通過該實驗平臺控制實驗電機。控制程序由中斷向量表、PWM中斷服務函數、QEP中斷服務函數、串口接收模塊和串口發送模塊組成，其中中斷服務程序是本程序中最主要的子程序，轉速閉環程序與電流采集程序在PWM中斷服務函數中，并經一系列計算后由ePWM模塊發出脈沖，轉速采集程序在QEP中斷服務函數中。

圖4 DSP控制程序

PWM中斷服務函數中，ADC模塊采集電流傳感器輸出信號，經過數字量轉化程序，輸出實際的三相電流，三相電流經過坐標變換得到勵磁電流與轉矩電流，計算得出磁鏈和轉矩送往相應調節器進行內環控制，轉速外環通過采集轉速進行PI調節后輸出給定轉矩。然后進行SVPWM控制，得到三路調制波變量送往PWM模塊，PWM設置成死區互補輸出，從而完成六路開關信號的生成。

QEP中斷服務函數中，eQEP模塊為DSP28335的轉速采集模塊，該程序原理是采用單位時間內收集脈沖個數來進行轉速計算。

3.2 上位機監控界面設計

本實驗平臺的上位機監控界面程序采用LabVIEW設計，其功能為建立上、下位機的通訊和數據傳輸。串行口中斷設計功能是與PC機交換數據，實現界面顯示和參數變量在線修改。

其監控界面如圖5所示。上位機界面主要由通訊設置、參數調節、啟停開關、波形顯示等四部分組成。其功能為可同時顯示六通道波形，可以用波形圖表的形式動態顯示采取的數據，包含了轉速采樣、相電流采樣等。并可根據需求，更改數據幅值顯示范圍。DSP控制板內存變量的在線修改：以實現電機控制的各種給定量的在線設定、電機控制調節器參數的調整、電機的運行控制等。

圖5 PC機端監控界面

4 實驗結果

為驗證開發平臺的實用性，在開發的實驗平臺上進行永磁同步電機直接轉矩控制策略研究，試驗條件和參數設置情況都和仿真保持一致。將永磁同步電機直接轉矩控制系統的仿真模型，通過代碼生成功能將其轉化為C代碼程序，運行在CCS軟件開發平臺下通過該實驗平臺控制實驗電機。實驗結果如圖6所示，結果表明本硬件電路設計能夠較好地滿足實驗要求。

圖6 直接轉矩控制策略實驗結果

5 結論

本文設計并實現了以TMS320F28335為控制器的永磁同步電機直接轉矩控制硬件在環實驗平臺。本實驗平臺采用基于TMS320F28335 DSP和MATLAB的快速控制原型開發系統，可以直接在MATLAB/Simulink上進行控制算法的設計和研究，然后自動生成控制代碼來控制電機運行。該實驗平臺可以提供電機轉子位置檢測、電流采樣、光電編碼器測速、快速原型開發、驅動控制器設計等多種類型的實驗，具有較高的開發性、多功能性、易于連線和調試等特點。實驗平臺具有良好的可擴展性，對永磁同步電機控制系統相關領域的科研探索有很好的借鑒意義。