永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)＊

林立，呂金培，林敏之

（1．多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽 422000；2．邵陽學(xué)院電氣工程學(xué)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(shù)和稀土永磁材料的發(fā)展，永磁同步電機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用受到了高度重視，對其控制策略的研究也成為關(guān)注的重點(diǎn)[1]，永磁同步電機(jī)因其具有體積小、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)動慣量低等優(yōu)越性能逐漸在工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域和日常生活中成為主流[2]。數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processing，DSP）具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺以TMS320F28335 DSP核心板為核心，設(shè)計(jì)開發(fā)了整流、隔離驅(qū)動、檢測、通信等硬件模塊，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略。該實(shí)驗(yàn)平臺在科研過程中取得了良好的效果，為相關(guān)專業(yè)及科研人員提供了專業(yè)實(shí)踐平臺。

1 實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)與功能

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)、控制器、傳感器和主電路四個(gè)部分組成。上位機(jī)通過CH430轉(zhuǎn)換芯片將USB轉(zhuǎn)串口，實(shí)現(xiàn)與控制器的通訊；控制器采用TMS320F28335 DSP，本實(shí)驗(yàn)所使用到控制器外設(shè)主要有SCI串口通訊模塊、ePWM脈沖發(fā)生模塊、QEP光電編碼器解碼模塊、AD模／數(shù)轉(zhuǎn)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(jīng)DSP28335的AD模塊輸入控制器內(nèi)。主電路中主要包括直流電源，逆變器和驅(qū)動電機(jī)三部分。

圖1 硬件連接圖

1．1 上位機(jī)

上位機(jī)負(fù)責(zé)利用代碼生成技術(shù)編寫模塊化程序，并利用串口與實(shí)驗(yàn)平臺通訊，通過監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線觀測與實(shí)時(shí)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(gè)能夠支持32位浮點(diǎn)運(yùn)算的32位定點(diǎn)數(shù)字信號控制器，與以往的定點(diǎn)DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A／D轉(zhuǎn)換更精確快速[4]。它采用內(nèi)部1．9V供電，外部3．3V供電，且主頻高達(dá)150MHz。DSP適用于電機(jī)控制的ePWM、eCAN、ADC、SCI和SPI等外設(shè)完成各自的功能與任務(wù)。

1．3 主電路

主電路中主要包括直流電源，逆變器和驅(qū)動電機(jī)三部分。其中驅(qū)動電機(jī)由永磁同步電機(jī)及負(fù)載電機(jī)組成，永磁同步電機(jī)參數(shù)如表1所示。負(fù)載電機(jī)及聯(lián)軸器模塊如圖2所示。直流電機(jī)通過單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動控制器進(jìn)行控制，通過PWM占空比調(diào)速的方式，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載直流電機(jī)扭矩的控制。

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)

圖2 永磁電機(jī)與負(fù)載模塊連接示意圖

聯(lián)軸器采用梅花聯(lián)軸器，兩側(cè)軸徑分別為8mm和14mm，分別連接直流電機(jī)輸出軸及永磁電機(jī)輸出軸，這樣通過永磁電機(jī)——聯(lián)軸器——直流電機(jī)相連的方式為永磁電機(jī)提供帶負(fù)載模塊。

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺中整流濾波電路可接220V市電直接進(jìn)行操作，但考慮到實(shí)驗(yàn)的安全性、可靠性及電源質(zhì)量，故選擇外接直流電源供電。

2 實(shí)驗(yàn)平臺硬件電路設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺控制功能全部由軟件實(shí)現(xiàn)。硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括：DSP最小系統(tǒng)、整流濾波電路、逆變驅(qū)動電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速位置檢測電路等。

2．1 DSP最小系統(tǒng)

DSP最小系統(tǒng)就是能夠保證DSP可以正常工作的最少硬件構(gòu)成。一個(gè)DSP最小系統(tǒng)包括DSP芯片本身、復(fù)位電路，時(shí)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(shè)計(jì)最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)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(jìn)電進(jìn)行整流，經(jīng)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(tǒng)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(diǎn)：一是過濾電壓紋波，二是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓保持平穩(wěn)。加入濾波電路對整流電路輸出進(jìn)行濾波以保證能夠得到較高質(zhì)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(qū)動電路

電機(jī)控制的驅(qū)動器采用IR2110S芯片。IR2110S芯片通過控制6個(gè)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的。

2．4 電流檢測電路

由于電機(jī)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(jīng)過比例放大，送到DSP的ADC引腳進(jìn)行采樣，以數(shù)字量代替模擬量，將其轉(zhuǎn)換為U相與V相可檢測的電壓信號，同時(shí)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(huán)節(jié)。

2．5 轉(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)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(yīng)接口。

3 實(shí)驗(yàn)平臺軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺軟件設(shè)計(jì)由DSP主程序和上位機(jī)監(jiān)控界面程序組成。

3．1 DSP主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖3所示。主程序先進(jìn)行初始化，初始化包括看門狗電路的設(shè)置，CPU級中斷屏蔽寄存器的設(shè)置；然后關(guān)總中斷；接著進(jìn)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(shè)置CPU定時(shí)器；在完成所有的初始化工作后，完成中斷服務(wù)入口地址的設(shè)置后開總中斷，等待循環(huán)。

圖3 主程序流程圖

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主程序如圖4所示。DSP主程序通過代碼生成功能將其轉(zhuǎn)化為C代碼程序，運(yùn)行在CCS軟件開發(fā)平臺下通過該實(shí)驗(yàn)平臺控制實(shí)驗(yàn)電機(jī)。控制程序由中斷向量表、PWM中斷服務(wù)函數(shù)、QEP中斷服務(wù)函數(shù)、串口接收模塊和串口發(fā)送模塊組成，其中中斷服務(wù)程序是本程序中最主要的子程序，轉(zhuǎn)速閉環(huán)程序與電流采集程序在PWM中斷服務(wù)函數(shù)中，并經(jīng)一系列計(jì)算后由ePWM模塊發(fā)出脈沖，轉(zhuǎn)速采集程序在QEP中斷服務(wù)函數(shù)中。

圖4 DSP控制程序

PWM中斷服務(wù)函數(shù)中，ADC模塊采集電流傳感器輸出信號，經(jīng)過數(shù)字量轉(zhuǎn)化程序，輸出實(shí)際的三相電流，三相電流經(jīng)過坐標(biāo)變換得到勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流，計(jì)算得出磁鏈和轉(zhuǎn)矩送往相應(yīng)調(diào)節(jié)器進(jìn)行內(nèi)環(huán)控制，轉(zhuǎn)速外環(huán)通過采集轉(zhuǎn)速進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后輸出給定轉(zhuǎn)矩。然后進(jìn)行SVPWM控制，得到三路調(diào)制波變量送往PWM模塊，PWM設(shè)置成死區(qū)互補(bǔ)輸出，從而完成六路開關(guān)信號的生成。

QEP中斷服務(wù)函數(shù)中，eQEP模塊為DSP28335的轉(zhuǎn)速采集模塊，該程序原理是采用單位時(shí)間內(nèi)收集脈沖個(gè)數(shù)來進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺的上位機(jī)監(jiān)控界面程序采用LabVIEW設(shè)計(jì)，其功能為建立上、下位機(jī)的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。串行口中斷設(shè)計(jì)功能是與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)界面顯示和參數(shù)變量在線修改。

其監(jiān)控界面如圖5所示。上位機(jī)界面主要由通訊設(shè)置、參數(shù)調(diào)節(jié)、啟停開關(guān)、波形顯示等四部分組成。其功能為可同時(shí)顯示六通道波形，可以用波形圖表的形式動態(tài)顯示采取的數(shù)據(jù)，包含了轉(zhuǎn)速采樣、相電流采樣等。并可根據(jù)需求，更改數(shù)據(jù)幅值顯示范圍。DSP控制板內(nèi)存變量的在線修改：以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的各種給定量的在線設(shè)定、電機(jī)控制調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整、電機(jī)的運(yùn)行控制等。

圖5 PC機(jī)端監(jiān)控界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證開發(fā)平臺的實(shí)用性，在開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略研究，試驗(yàn)條件和參數(shù)設(shè)置情況都和仿真保持一致。將永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型，通過代碼生成功能將其轉(zhuǎn)化為C代碼程序，運(yùn)行在CCS軟件開發(fā)平臺下通過該實(shí)驗(yàn)平臺控制實(shí)驗(yàn)電機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明本硬件電路設(shè)計(jì)能夠較好地滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖6 直接轉(zhuǎn)矩控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以TMS320F28335為控制器的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺。本實(shí)驗(yàn)平臺采用基于TMS320F28335 DSP和MATLAB的快速控制原型開發(fā)系統(tǒng)，可以直接在MATLAB/Simulink上進(jìn)行控制算法的設(shè)計(jì)和研究，然后自動生成控制代碼來控制電機(jī)運(yùn)行。該實(shí)驗(yàn)平臺可以提供電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測、電流采樣、光電編碼器測速、快速原型開發(fā)、驅(qū)動控制器設(shè)計(jì)等多種類型的實(shí)驗(yàn)，具有較高的開發(fā)性、多功能性、易于連線和調(diào)試等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)平臺具有良好的可擴(kuò)展性，對永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的科研探索有很好的借鑒意義。