基于DSP的PMSM矢量控制系统的设计与研究

摘要：为实现对永磁同步电机(PMSM)的最优控制，设计了一种以数字信号处理器(DSP)为核心的控制器，深入分析了控制器中对电机运行精度影响较大的几个模块，并进行了优化。采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术完成了系统的硬件和软件调试，实验结果验证了所设计控制器的可行性，并能满足PMSM的高性能控制要求。
关键词：永磁同步电机；矢量控制；空间矢量脉宽调制

1 引言
    PMSM具有转动惯量小、功率密度高、响应速度快等优点，在高性能的电机控制领域中得到了广泛应用。随着半导体技术的发展，电机控制的数字化已成为主流趋势，而高性能的电机控制算法都是通过主芯片实现的。目前，在电机控制领域中，最具代表性的DSP是TMS320F2000系列，其中TMS320F12812是该系列中的一款主流32位定点DSP，与TMS320F2407相比，它具有更丰富的硬件资源和更快的计算速度，可用于实现高性能电机控制系统。在此采用TMS320F2812设计了一种PMSM控制器，利用C语言编程进行软件设计，实现了系统速度、电流双闭环控制。

2 永磁同步电机矢量控制系统
    矢量控制的基本思想是通过坐标变换，将电机定子电流分解成产生磁通的直轴分量和产生转矩的交轴分量，并使两分量相互垂直，彼此进行独立调节与控制。id=0控制法是目前交流电机控制中应用最广的矢量控制法。由于定子电流中只有交轴分量，没有直轴去磁分量，因而不会产生去磁效应，且电机定子磁链空间矢量和永磁体磁链空间矢量正交，从电机端口看，此时的交流PMSM相当于一台他励直流电机。该系统在矢量控制的基础上采用SVPWM技术来控制逆变器的输出电压，电机所有电流均用来产生电磁力矩，电机控制效率高，转矩特性好，可获得很宽的调速范围，PMSM矢量控制系统基本框图如图1所示。

3 系统硬件设计与分析
    PMSM调速系统硬件电路如图2所示。主要包括主电路、控制电路、功率驱动电路、检测及保护电路等。主电路包括整流电路和逆变电路，其中整流部分由4个二极管构成整流桥实现；逆变电路是由6个IGBT元件构成的开关电路，可输出相位差120°的三相对称电压。

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    控制电路由上位机、TMS320F2812、光电编码器、霍尔传感器等组成。其中上位机与DSP通过JTAG模块连接，可实现两者间的实时通信：QEP模块连接光电编码器，用来捕获电机转速信息，并由数码管模块显示；A／D模块与霍尔传感器相连，用来检测电路中电压、电流值的大小；事件管理器模块输出6路PWM波，经光耦隔离、功率驱动电路，输出到逆变电路的6个IGBT开关管。
3．1 A／D采样精度分析
    TMS320F2812片内A／D模块分辨率为12位，但在实际应用中精度并不高。理想情况下，A／D的采样结果为：y=Gx+b。其中，y为采样结果；x为输入电压；G为增益，G=1；b为偏置，b=0。但是在采样过程中，G并不等于1，b也不等于0，其偏差如图3所示。

    由于A／D采样结果的准确性将直接影响电机控制性能，因此有必要采用矫正电路来提高其转换精度，该系统设计的矫正电路如图4所示。

    对于同一个排序器。其8个通道的G和b是相同的，如果给定两个通道(如A6，A7)的输入电压，则有：y6=Gx6’+b’，y7=Gx7+b’。由图4可知，A6，A7的给定是通过稳压管和电阻分压得到的，其电压值是已知的，意即x6和x7是已知的。y6和y7可从A／D结果寄存器中读取，由y6和y7，的表达式可以计算得到：
   
    得到G’和b’后，就可通过y=Gx+b计算矫正后的采样结果。[!--empirenews.page--]
3．2 相电流检测及过热保护模块
    为提高控制器的电流检测精度，该设计采用CS010GT霍尔电流传感器进行电流采样。CS010GT能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则的电流，其初级额定输入电流，Ipn=10 A，输入电流与输出电压的关系如图5所示。

    为了减少高频信号以及负载效应对系统的影响，在霍尔电流传感器的输出端设计有电压跟随器。当电机长时间高速工作时，如果电路的散热条件不好，就会烧毁元件甚至造成更大损失。该设计中针对容易烧毁的大功率IGBT元件，在电机驱动板上安装了散热片，同时为了实时检测芯片温度，采用高精度温度传感器芯片LM358CAZ设计了过热保护电路，如图6所示。LM358CAZ芯片可直接采样摄氏温度，计算较方便，其额定温度范围为-55～150℃，非线性误差较小。

3．3 SVPWM实现模块
    SVPWM较传统SPWM技术，具有谐波含量少、开关损耗小、直流电压利用率高等优点，在如今交流电机数字化控制中应用越来越广泛。采用TMS320F2812实现SVPWM非常方便，而且输出波形精度高。根据用户配置，DSP内部定时器能生成多种方式PWM波形，控制器生成PWM的硬件电路如图7所示。

    要生成SVPWM波形需要配置DSP内部相关寄存器：当前主矢量的值要写入ACTR[12-15]中，其具体值要根据Uo的位置计算得到；生成对称或不对称的PWM波形由T1CON[11-13]位控制；通过设置DBTCON相应位来确定死区时间，当时钟周期为50ns时，可设置死区时间范围为0～102．4 μs；COMCON[9]控制PWM输出状态。3个比较寄存器CMPRx(x=1，2，3)中值的大小由非零矢量和零矢量的作用时间来确定，从而决定何时开通A，B，C三相。当定时器的计数器与CMPRx的值发生匹配时，空间矢量对应的控制信号输出就会改变。
    TMS320F2812的PWM口有片内上拉电阻，高阻态时默认为高电平，而通用的IGBT元件为高电压导通，因此为防止高阻态时同一桥臂的两个IGBT同时导通的情况发生，采用SN74HOOD和SN74H10D芯片设计了PWM检测报警电路。
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4 软件设计
    在系统设计中，通常总是尽可能地用软件资源代替硬件资源，以降低成本，简化系统结构，该系统软件部分采用C语言编程，主要包括上位机软件和DSP控制程序。上位机通过仿真器与DSP连接，实现了SVPWM波形输出、电流检测、过压保护等功能。DSP控制程序由两个模块组成，即主程序模块和中断服务程序模块。系统主程序流程图如图8所示。

    在系统初始上电后，会首先进入系统资源初始化，然后进行PMSM转子初始位置角的检测，得到位置角信息后进入后台处理程序，等待中断处理信号用以进入系统子程序对电机进行控制。中断模块主要是进行速度环和电流环的处理以及与上位机交换数据。

5 实验结果
    实验中给定直流母线电压Udc=220 V，PWM采样周期为0．2ms，电机各定子绕组R=3．1Ω，最大转速1000 r·min-1，转动惯量J=0．0036 kg·m2、极对数p=2。实验中电机以空载开始运行，图9a为电机给定转速600 r·min-1时，a，b两相电流波形图，可见，电流波形的正弦性好，精度高，能使电机平稳运行。电机在运行10 s后加2 N·m负载，图9b为电机负载转矩图，电机在空载时，其转矩波形在零附近波动，突加负载后转矩略有波动，但很快就恢复稳定，电机转矩响应时间短。实验结果表明，采用矢量控制实现的PMSM系统具有较好的动静态特性。

6 结论
    设计了一种基于TMS320F2812的永磁同步电动机控制器，解决了电机控制中一些实际问题，采用矢量控制法和SVPWM技术对控制器进行了调试，由实验结果可见系统响应较快，控制精度高，稳定性好，证明了该设计的有效性和合理性。