基于DSP的永磁同步电机磁场定向控制器设计

基于DSP 的永磁同步电机磁场定向控制器设计

●应用与设计

基于DSP 的永磁同步电机磁场定向控制器设计

顾学群,

陈兵飞,

刘建峰

(南通职业大学电子工程系, 江苏南通226007)

摘要:介绍了一种采用DSP 芯片T MS320LF2407A 实现永磁同步电机磁场定向控制器的控制原理,

给出了采用磁场定向控制策略来设计该控制器的硬件组成结构及软件设计流程。关键词:永磁同步电机; 磁场定向控制; 数据信号处理器; 智能功率模块分类号:T M351文献标识码:A文章编号:1006-6977(2004) 11--03

Directional Controller of Ma g netic of Machiner y of ,

LIU Jian -fen g

g Colle g e , Nanton g 226007, China )

Abstract :In p p er , it has introduced such a control schem e and the com p osin g of softw are and hardw are that has ado p ted chi p T MS320LF2407A of DSP to realize s y nchronous electrical m achiner y of p erm anent m a g 2netism’s Directional control. T he ado p ted control strate gy takes effect in w ider ran g e , and has a g ood control p erform ance.

K e y w ords :PMSM; directional controller of m a g netic field ; di g ital si g nal p rocessor ; intelli g ent p ow er m odule

1引言

流综合矢量i s

在旋转坐标系d q 轴上分解如下:

i s =i sd +i s q

近年, 交流伺服系统已经在机械制造、工业机器人、航空航天等领域得到广泛应用, 其控制对象大多是永磁感应同步电动机(PMSM ) 。PMSM 的转子采用永磁钢, 属于无刷电机的一种, 具有结构简单、体积小、易于控制、性能优良等优点。本文讨论的空间矢量控制的永磁同步电机控制器就是采用磁场定向算法并借助DSP 的高速度来实现对转速的实时控制, 因而在各种状态下都有良好的控制性能, 特别适用于对控制器体积及性能要求较高的应用场合。

在交流永磁同步电机中, 转子为永磁钢, 可认为转子电流综合矢量的模大小不变, 常用常数值I F 代表。交流电机电磁转矩T 与定子、转子电流综合矢量的普遍关系如下:

T =3PL 12|i 1|・|i 2|sin φ/2

式中:P —极对数;

L 12—定子、转子互感; i 1—定子电流综合矢量; i 2—转子电流综合矢量;

定子、转子综合矢量夹角; φ—

这样, 电磁转矩就只随|i 1|和角φ变化。为了

2磁场定向控制原理

磁场定向控制主要是对交流电机的控制, 它通

过适时的控制转子的机械速度并调节相电流来满足电磁转矩的要求。磁场定向控制矢量如图1所示。在图中的两直角坐标系中:αβ坐标系为定子静止坐标系, α轴与定子绕组a 轴相重合; d q 为转子旋转坐标系, d 轴与转子磁链方向重合并以同步速度ωP 逆时针旋转。两坐标系之间的夹角为θe 。现把定子电

图1PMSM 磁场定向控制矢量图

-18-

《国外电子元器件》2004年第11期2004年11月

由两个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制

(PWM ) 通道、3个捕获单元以及一套编码器接口电路组成; 10位A/D 转换器可采用序列灵活编程, 同时可在一个转换周期内对一个通道进行多次转换。综上所述, T MS320LF2407A 作为整个控制器的核心, 集成了主要的电机外设控制部件, 具有高速的运算能力及较高的采样精度, 适合构成单片电机伺服控制器以完成实时要求很高的伺服控制任务。本系统就是利用它来实现矢量变换、电流环、速度环、位置

图2

PMSM 控制结构框图

获得简单可控的转矩特性, 可以使定子电流综合矢量始终在q 轴上, 即φ=90°, 从而得到:

T =3PL 12I F I S /2

式中, I S 机电磁转矩, 电动机的伺服性能, 并可得到快速无静差的调节特性。控制器的控制结构框图如图2所示。

该速度控制系统由速度、电流双闭环实现, 采用的算法由相应的模块实现。i a 和i b 由电流传感器检测获得, 应用clark 变换可得到定子电流在静止坐标中的投影值。进行p ark 变换可以得到在旋转坐标系下的定子电流投影值。然后将电流和给定的参考值(I s q r e f 和I sdr e f ) 进行比较, 并经过PI 调节器进行调节。电流调节的输出再经过反p ark 变换, 同时应用空间矢量技术并经过三相逆变器即可产生新的定子电压。为了能够控制电机的机械速度可通过外环提供参考电流值I s q r e f , 从而得出机械速度参考值n r e f 。整个控制器以DSP 芯片为核心再配以简单的外围电路, 其控制算法及功能全部由软件实现。

环控制以及PWM 。3. 2。其输出信号送入的I/O 和QEP 单元后, 即可通过位置的微分运算得到转速信号。而用霍尔电流传感器采样A 、B 两相电流即可获得实时的电流信息。3. 3主电源电路

控制系统的主回路逆变器采用智能功率模块

PM30CS JO60

, 该模块采用30A/600VIG B T 功率管, 它内含驱动电路, 并设计有过压、过流、过热、欠压等故障检测保护电路。同时系统还设计了软启动电路以减少强电对主回路的冲击。在系统故障保护环节中还设置了主回路过压、欠压、过热、过载、制动异常、光电编码器反馈断线等保护功能, 故障信号由软硬件配合检测, 一旦出现保护信号, 便可通过软件或硬件逻辑立刻封锁PWM 驱动信号。

4系统软件设计

永磁同步电机磁场定向控制器软件包括DSP 主

3永磁同步电机控制器的硬件结构

程序和DSP 伺服控制程序, 其中DSP 伺服控制程序由4个部分组成:PWM 定时中断程序、光电编码器零脉冲捕获中断程序、功率驱动保护中断程序和通

永磁同步电机磁场定向控制器以DSP 数字信号处理器为核心。其硬件结构如图3所示。从图3可以看出, 该系统主要由控制器核心T MS320LF2407A 、外围接口电路、功率回路等几部分组成。3. 1T MS320LF2407A 的基本结构

T MS320LF2407A 采用3. 3V 供电, 因而功耗较

小。同时因其指令执行周期可缩短到25ns , 从而提高了控制器的实时处理能力。器件内含32kB 的F LASH 程序存储器, 片内外设采用统一的外设总线和数据单元进行连接, 其中包含两个事件管理模块, 每个均

图3永磁同步电机控制器硬件结构图

图4主程序流程图

讯中断程序。主程序流程图如图4所示。主程序只完成系统硬件和软件的初始化任务, 然后处于等待状态。完整的磁场定向控制(FOC ) 控制算法用PWM 定时中断服务程序中实现。在一个中断周期内, 从两路AD 采样电流可计算转子位置角和转速, 反馈通道计算后, 数, 。, 0. 完成一次速度环和位置环的控制, 控制器的PWM 开关周期设置为16kH z 。PWM 定时中断程序的流程图如图5所示。通讯中断程序主要用来接收并刷新控制参数, 同时设置运行模式; 光电编码器零脉冲捕获中断程序可实现对编码器反馈零脉冲精确地捕获, 从而得到交流永磁同步电机矢量变换定向角度的修正值; 功率驱动保护中断程序则用于检测智能功率模块的故障输出, 当出现故障时,DSP 的PWM 通道将被封锁, 从而使输出变成高阻态。

图5

PWM 定时中断流程图

用了DSP 的高速运算能力, 从而使很多复杂的控制算法和功能得以实现。该系统集实时处理能力和控制器的外设功能于一身, 从而实现了系统的实时性和快速性。同时也为开发小体积、智能型永磁同步电机控制系统提供了一种新的途径。参考文献

[1]周永鹏. 现代交流伺服系统[M].武汉:华中理

5结束语

工大学出版社,1995.

[2]李夙. 异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[3]李叶松. 交流永磁同步电机全数字伺服控制器设计[J].微电机,2003, (6) :25-27.

收稿日期:2004-05-20

咨询编号:041107

本文提出了基于T MS320LF2407A 的永磁同步电机磁场定向控制系统的实现方案, 该方案充分利●元器件快讯

x1PCI Ex p ress 至PCI 桥接器

德州仪器(TI ) 日前推出首款x1PCI Ex p ress 至PCI 桥接器XI O2000以及PCI Ex p ress 1394a 集成电路样片。XI O2000能够将x1PCI Ex p ress 总线桥接至可支持多达6个下行PCI 器件的32位、33MH z/

66MH z PCI 总线。该器件可支持高达2. 5G b p s 的PCI Ex p ress 全速率。XI O2000可使OEM 厂商能够设计出

连接至扩展坞, 从而节约成本。

XI O2200PCI Ex p ress 1394a 是一款连接至PCI

Ex p ress 总线的双端口开放式主控制器接口(OHCI ) 1394a 集成链路/物理层器件。通过使用PCI Ex p ress

分离式系统, 从而在不影响性能的情况下满足用户的人机工程需求。此外, 借助PCI Ex p ress 技术, 制造商能够通过在扩展坞上使用更小的连接器以及简化笔记本电脑的主板布线, 即不需要通过布线将PCI

来替代PCI 总线, 可大大简化主板布局并降低成本。

此外, 将该器件用于Ex p ressCard 技术开发还使得设计人员能够通过Ex p ressCard 插槽, 轻松将1394a 添加到PC 及笔记本电脑中, 从而进一步增加通过数码摄像机编辑数字视频等用户功能。

咨询编号:041108

基于DSP 的永磁同步电机磁场定向控制器设计

●应用与设计

基于DSP 的永磁同步电机磁场定向控制器设计

顾学群,

陈兵飞,

刘建峰

(南通职业大学电子工程系, 江苏南通226007)

摘要:介绍了一种采用DSP 芯片T MS320LF2407A 实现永磁同步电机磁场定向控制器的控制原理,

给出了采用磁场定向控制策略来设计该控制器的硬件组成结构及软件设计流程。关键词:永磁同步电机; 磁场定向控制; 数据信号处理器; 智能功率模块分类号:T M351文献标识码:A文章编号:1006-6977(2004) 11--03

Directional Controller of Ma g netic of Machiner y of ,

LIU Jian -fen g

g Colle g e , Nanton g 226007, China )

Abstract :In p p er , it has introduced such a control schem e and the com p osin g of softw are and hardw are that has ado p ted chi p T MS320LF2407A of DSP to realize s y nchronous electrical m achiner y of p erm anent m a g 2netism’s Directional control. T he ado p ted control strate gy takes effect in w ider ran g e , and has a g ood control p erform ance.

K e y w ords :PMSM; directional controller of m a g netic field ; di g ital si g nal p rocessor ; intelli g ent p ow er m odule

1引言

流综合矢量i s

在旋转坐标系d q 轴上分解如下:

i s =i sd +i s q

近年, 交流伺服系统已经在机械制造、工业机器人、航空航天等领域得到广泛应用, 其控制对象大多是永磁感应同步电动机(PMSM ) 。PMSM 的转子采用永磁钢, 属于无刷电机的一种, 具有结构简单、体积小、易于控制、性能优良等优点。本文讨论的空间矢量控制的永磁同步电机控制器就是采用磁场定向算法并借助DSP 的高速度来实现对转速的实时控制, 因而在各种状态下都有良好的控制性能, 特别适用于对控制器体积及性能要求较高的应用场合。

在交流永磁同步电机中, 转子为永磁钢, 可认为转子电流综合矢量的模大小不变, 常用常数值I F 代表。交流电机电磁转矩T 与定子、转子电流综合矢量的普遍关系如下:

T =3PL 12|i 1|・|i 2|sin φ/2

式中:P —极对数;

L 12—定子、转子互感; i 1—定子电流综合矢量; i 2—转子电流综合矢量;

定子、转子综合矢量夹角; φ—

这样, 电磁转矩就只随|i 1|和角φ变化。为了

2磁场定向控制原理

磁场定向控制主要是对交流电机的控制, 它通

过适时的控制转子的机械速度并调节相电流来满足电磁转矩的要求。磁场定向控制矢量如图1所示。在图中的两直角坐标系中:αβ坐标系为定子静止坐标系, α轴与定子绕组a 轴相重合; d q 为转子旋转坐标系, d 轴与转子磁链方向重合并以同步速度ωP 逆时针旋转。两坐标系之间的夹角为θe 。现把定子电

图1PMSM 磁场定向控制矢量图

-18-

《国外电子元器件》2004年第11期2004年11月

由两个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制

(PWM ) 通道、3个捕获单元以及一套编码器接口电路组成; 10位A/D 转换器可采用序列灵活编程, 同时可在一个转换周期内对一个通道进行多次转换。综上所述, T MS320LF2407A 作为整个控制器的核心, 集成了主要的电机外设控制部件, 具有高速的运算能力及较高的采样精度, 适合构成单片电机伺服控制器以完成实时要求很高的伺服控制任务。本系统就是利用它来实现矢量变换、电流环、速度环、位置

图2

PMSM 控制结构框图

获得简单可控的转矩特性, 可以使定子电流综合矢量始终在q 轴上, 即φ=90°, 从而得到:

T =3PL 12I F I S /2

式中, I S 机电磁转矩, 电动机的伺服性能, 并可得到快速无静差的调节特性。控制器的控制结构框图如图2所示。

该速度控制系统由速度、电流双闭环实现, 采用的算法由相应的模块实现。i a 和i b 由电流传感器检测获得, 应用clark 变换可得到定子电流在静止坐标中的投影值。进行p ark 变换可以得到在旋转坐标系下的定子电流投影值。然后将电流和给定的参考值(I s q r e f 和I sdr e f ) 进行比较, 并经过PI 调节器进行调节。电流调节的输出再经过反p ark 变换, 同时应用空间矢量技术并经过三相逆变器即可产生新的定子电压。为了能够控制电机的机械速度可通过外环提供参考电流值I s q r e f , 从而得出机械速度参考值n r e f 。整个控制器以DSP 芯片为核心再配以简单的外围电路, 其控制算法及功能全部由软件实现。

环控制以及PWM 。3. 2。其输出信号送入的I/O 和QEP 单元后, 即可通过位置的微分运算得到转速信号。而用霍尔电流传感器采样A 、B 两相电流即可获得实时的电流信息。3. 3主电源电路

控制系统的主回路逆变器采用智能功率模块

PM30CS JO60

, 该模块采用30A/600VIG B T 功率管, 它内含驱动电路, 并设计有过压、过流、过热、欠压等故障检测保护电路。同时系统还设计了软启动电路以减少强电对主回路的冲击。在系统故障保护环节中还设置了主回路过压、欠压、过热、过载、制动异常、光电编码器反馈断线等保护功能, 故障信号由软硬件配合检测, 一旦出现保护信号, 便可通过软件或硬件逻辑立刻封锁PWM 驱动信号。

4系统软件设计

永磁同步电机磁场定向控制器软件包括DSP 主

3永磁同步电机控制器的硬件结构

程序和DSP 伺服控制程序, 其中DSP 伺服控制程序由4个部分组成:PWM 定时中断程序、光电编码器零脉冲捕获中断程序、功率驱动保护中断程序和通

永磁同步电机磁场定向控制器以DSP 数字信号处理器为核心。其硬件结构如图3所示。从图3可以看出, 该系统主要由控制器核心T MS320LF2407A 、外围接口电路、功率回路等几部分组成。3. 1T MS320LF2407A 的基本结构

T MS320LF2407A 采用3. 3V 供电, 因而功耗较

小。同时因其指令执行周期可缩短到25ns , 从而提高了控制器的实时处理能力。器件内含32kB 的F LASH 程序存储器, 片内外设采用统一的外设总线和数据单元进行连接, 其中包含两个事件管理模块, 每个均

图3永磁同步电机控制器硬件结构图

图4主程序流程图

讯中断程序。主程序流程图如图4所示。主程序只完成系统硬件和软件的初始化任务, 然后处于等待状态。完整的磁场定向控制(FOC ) 控制算法用PWM 定时中断服务程序中实现。在一个中断周期内, 从两路AD 采样电流可计算转子位置角和转速, 反馈通道计算后, 数, 。, 0. 完成一次速度环和位置环的控制, 控制器的PWM 开关周期设置为16kH z 。PWM 定时中断程序的流程图如图5所示。通讯中断程序主要用来接收并刷新控制参数, 同时设置运行模式; 光电编码器零脉冲捕获中断程序可实现对编码器反馈零脉冲精确地捕获, 从而得到交流永磁同步电机矢量变换定向角度的修正值; 功率驱动保护中断程序则用于检测智能功率模块的故障输出, 当出现故障时,DSP 的PWM 通道将被封锁, 从而使输出变成高阻态。

图5

PWM 定时中断流程图

用了DSP 的高速运算能力, 从而使很多复杂的控制算法和功能得以实现。该系统集实时处理能力和控制器的外设功能于一身, 从而实现了系统的实时性和快速性。同时也为开发小体积、智能型永磁同步电机控制系统提供了一种新的途径。参考文献

[1]周永鹏. 现代交流伺服系统[M].武汉:华中理

5结束语

工大学出版社,1995.

[2]李夙. 异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[3]李叶松. 交流永磁同步电机全数字伺服控制器设计[J].微电机,2003, (6) :25-27.

收稿日期:2004-05-20

咨询编号:041107

本文提出了基于T MS320LF2407A 的永磁同步电机磁场定向控制系统的实现方案, 该方案充分利●元器件快讯

x1PCI Ex p ress 至PCI 桥接器

德州仪器(TI ) 日前推出首款x1PCI Ex p ress 至PCI 桥接器XI O2000以及PCI Ex p ress 1394a 集成电路样片。XI O2000能够将x1PCI Ex p ress 总线桥接至可支持多达6个下行PCI 器件的32位、33MH z/

66MH z PCI 总线。该器件可支持高达2. 5G b p s 的PCI Ex p ress 全速率。XI O2000可使OEM 厂商能够设计出

连接至扩展坞, 从而节约成本。

XI O2200PCI Ex p ress 1394a 是一款连接至PCI

Ex p ress 总线的双端口开放式主控制器接口(OHCI ) 1394a 集成链路/物理层器件。通过使用PCI Ex p ress

分离式系统, 从而在不影响性能的情况下满足用户的人机工程需求。此外, 借助PCI Ex p ress 技术, 制造商能够通过在扩展坞上使用更小的连接器以及简化笔记本电脑的主板布线, 即不需要通过布线将PCI

来替代PCI 总线, 可大大简化主板布局并降低成本。

此外, 将该器件用于Ex p ressCard 技术开发还使得设计人员能够通过Ex p ressCard 插槽, 轻松将1394a 添加到PC 及笔记本电脑中, 从而进一步增加通过数码摄像机编辑数字视频等用户功能。

咨询编号:041108