0 引言

永磁同步电动机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻以及具有较高的效率和功率因数等优点, 已广泛应用于工业机器人、数控机床、柔性制造系统各种自动化设备等领域。目前, 数字化交流伺服系统主要采用高性能数字处理器(DSP)和智能功率模块( IPM)实现。本系统采用TI公司的高性能数字信号处理器TMS320F2812, 利用DSP内部资源采集电机的反馈量, 包括定子相电流, 转子位置和转速；以此为依据产生可控制的脉冲驱动三相桥式逆变器, 进而控制逆变器的输出电压, 改变永磁同步电机的电磁转矩, 实现电机的全数字变频调速。本文介绍了以TMS320F2812为核心的全数字PMSM变频调速系统的硬件以及软件设计, 在永磁同步电动机上测试并给出了实验结果。

1 永磁同步电机矢量控制变频调速原理

三相永磁同步电机的模型是一个多变量、非线性、强耦合系统, 当采用转子磁场定向(d轴与转子磁场方向重合)的方法进行解耦控制时, 得到电机的转矩方程为：

T_m = p[Ψ_f i_q - (L_d - L_q ) i_d i_q ]   (1)   式中, p为转子磁极对数, Ψ_f 为转子磁场在定子上的耦合磁链, i_d、i_q 为定子电流矢量i_s 在d、q轴的分量, L_d、L_q 为电机d、q轴的电感。对一般的正弦分布式PMSM, 若不考虑转子磁场的凸极效应, Ld = Lq。由式(1)可以看出, 当i_s与d轴的夹角β为90°时, 可以获得最大转矩。这时, i_d = i_s cosβ = 0, iq = i_s sinβ = i_s , 式( 1 )可以改写为：

T_m = pΨ_f i_q = pΨ_f i_s  (2)  式(2)说明只要保持i_s与d轴垂直, 就可以像控制直流电动机那样, 通过调整分量iq 来控制转矩,实现永磁同步电机转矩的线性化控制, 而关键就是转子磁场的精确定向和电流高速化控制。

2　系统硬件设计

永磁同步电动机数字化变频系统结构框图如图1。

系统可分为主回路、控制回路。主回路包括智能功率模块IPM和电动机; 控制回路以TMS320F2812 DSP为核心,辅以电流检测电路。

图1 永磁同步电动机变频调速系统硬件结构图

2.1 主回路设计

主电路采用单相不控整流, 逆变器采用三菱公司智能功率模块( PM20CSJ060) 。该模块将6只IGBT封装在一起。组成三相全桥逆变电路, 体积小、重量轻, 内部集成有驱动电路, 并设计有过电压、过电流、过热及欠电压等故障保护电路。额定参数为600 V /20 A, 开关频率可达20 kHz。其外围电路主要包括6路PWM驱动信号加快速光耦隔离, 驱动简单可靠。驱动电路供电电压为+ 15 V, 由开关电源提供4路隔离的+ 15 V电源。主电路为避免上电时出现过大的瞬时电流和电机制动时产生过高的泵生电压, 设有软启动电路以及能耗制动时的能量泄放回路。

2.2 控制回路设计

控制器采用TI公司最新推出的32位定点数字信号处理器TMS320F2812。它采用高性能的静态CMOS技术, 主频达150MHz, 使得指令周期缩短为6.67ns, 提高了控制器的实时控制能力。高性能32位CPU, 单周期32×32乘法累加运算操作, 能够完成64位的数据处理, 实现高精度的处理任务。高效的代码转换功能(支持C/C + +和汇编)并与TMS320F24x/LF240x程序代码兼容。片内存储器资源包括：片内128 k ×16 位的FLASH, 128k×16位ROM, 18k ×16位的SARAM, 1 k×16位一次可编成的存储器OTP。片上Flash/ROM具有可编成加密特性, 可以方便现场软件升级。带有128位保护密码, 防止非法用户通过JTAG仿真接口查看FLASH /OTP /L0 /L1的内容、访问外设和装载某些不合法的软件, 保证了相关数据的安全性。模数转换器(ADC)：两个8路12位A/D转换器, A/D转换速度可达200ns, 具有自动排序能力, 一次可执行最多16个通道的自动转换, 流水线最快转换周期为60 ns。可工作在8 个自动转换的双排序工作方式或一组16个自动转换通道的单排序工作方式, 可编程为顺序采样和双路同步采样。支持软件启动、事件管理中断启动和外部信号启动, 其中, 可以利用事件管理器的定时中断来启动A/D, 进行实时采样。事件管理模块：4 个16 位通用定时器可用于产生采样周期, 作为全比较单元产生PWM输出以及软件定时的时基。2个事件管理器可产生16路独立的PWM信号, 3个具有可编程死区的全比较单元可以产生独立的3对PWM信号。对于每一个比较单元的输出, 死区的产生可单独被使能/禁止。当QEP电路被使能时, 可以对引脚CAP1/QEP1和CAP2 /QEP2上的正交编码脉冲进行解码和计数, 通过检查编码盘脉冲信号, 可以获得电机的角位移和转向, 通过脉冲的频率测出角速度。标准的通信接口：包括两个异步串行外设通信口(SCI)、一个同步串行外设接口( SPI)、增强型控制器区域网(eCAn)模块和多通道缓冲串口(McB2SP)。其中, eCAN 模块完全兼容CAN210B 协义,可以在有干扰的环境里使用上述协议与其他控制器串行通信。eCAN模块具有32个可以完全控制的邮箱和时间标识特性, 提供了一个通用可靠的串行通信接口。同时, 还具有位传输速率、中断方案和总线唤醒事件、超强的错误诊断、自动错误重发和远程请求回应、支持自测试模式等功能。本系统采用TMS320F2812 作为控制芯片, 使用事件管理器控制逆变器, 通过正交编码电路接口检测电机的位置和速度信号, 以及AD单元检测电流信号, 使得控制系统具有控制精度高、硬件简单、可靠性高等优点。

2.3　电流检测电路设计

在三相电动机的变频调速中, 为了得到更高的控制性能, 很多控制策略, 比如矢量控制等都需要知道电动机定子的三相电流。一般检测三相中的两相, 利用三相相电流和为零( i_a + i_b + i_c = 0) 来获取另一相的值。本系统电流采样使用串在电机绕组电路中的精密电阻做传感元件, 用高精度的带有A /D和D /A转换的线性光耦隔离, 以保证控制电源的独立性, 信号经差分驱动/放大, 由DSP内置的10位的ADC进行采样。电流检测电路如图3。

图2　电流检测电路图

3 软件设计

在以TMS320F2812 DSP为核心的永磁同步电动机变频调速系统中, DSP要承担管理、协调、监督控制系统各个环节的繁重任务。由于变频调速系统的控制属于快速性要求较高的运动控制范畴, 系统受控状态量的变化很快, 这就要求系统的采样周期尽可能的短;鉴于该系统的实时性要求很高, 因此, 在软件设计时必须合理的安排好各个程序模块结构以及相互之间的时序配合。系统软件设计可分为初始化模块和控制模块部分; 本系统所采用的转子磁场定向策略, 其主要工作是由控制模块中的中断来完成; 系统的主程序和控制模块流程图, 分别如图3和图4所示。

3.2　初始化模块

包括硬件初始化、软件变量初始化以及循环等待等。其中硬件初始化主要完成DSP的设置,如看门狗、时钟、计时器、ADC、SCI、I/O、事件管理( EV)等的设置; 软件变量初始化对软件变量赋予初值; 等待循环通过中断方式与DSP进行通信, DSP通过SCI串口与PC (上位机)保持通信,而用户可以通过RS232 同DSP连接, 发布命令,进而更新变量和标志实现控制。

图3 主程序流程图  图4 控制模块流程

3.3　控制模块

控制模块中的主要中断有:捕获、AD 采样、PWM周期产生中断。程序在完成系统初始化后,电机启动, 大部分工作都可以在各自中断模块中实现。其中捕获中断在被设置为INDEX (CAP3)引脚上的信号发生跳变时产生中断, 即在捕获单元捕获到Z脉冲信号后再发生; PWM周期产生模块实现驱动电机运行的PWM波形, PWM的实现是由3个寄存器决定的, 周期寄存器决定调制周期,计数器累加计数, 和比较寄存器作比较, 以决定PWM的脉冲宽度; 在PWM周期选择时, 需要考虑到功率开关的频率限制和被控电机的电磁时间常数等; AD采样模块解决电流采样问题, 电流采样的设计主要研究采样周期和采样时刻, 一般电流采样周期与PWM周期相同, 即采样时刻设定在周期寄存器的上溢或下溢时刻。

4　试验结果及其分析

系统采用上海登奇机电技术有限公司生产的GK604126AC312FE型交流永磁伺服电机, 主要参数为:极对数3; 额定转速1950r/min; 最大转速2450r/min; 静转矩210 N·m; 转矩常数0.86 N·m /A; 额定相电流210 A; 定子电阻0.58Ω; 电气时间常数3.7 ms; 转动惯量2.17×10ˉ⁴ kg·m2。逆变器直流母线电压310 V。电流采样霍尔元件匝比为1: 490,采样电阻110Ω。伺服电机光电编码盘分辨率2450脉冲/转。电流采样周期为45μs, 速度采样周期240s; 电流环闭环带宽1900Hz, 速度环闭环带宽140 Hz。图6为给定速度为500r/min的速度阶跃响应曲线; 图7为给定速度为2000 r /min的速度阶跃响应曲线。实验证明系统具有较快的响应速度和较好的控制精度。

图5　给定为500 r/min的速度阶跃响应曲线    

图6给定为2000 r/min的速度阶跃响应曲线

5 结论

本文在分析了矢量控制永磁同步电机全数字化变频调速系统的基本原理，进行了控制系统的硬件设计和软件设计，实验结果表明控制系统有良好的动静态性能, 该变频调速系统可以广泛地应用于伺服驱动系统中。

本文作者创新点是：应用TI公司更新一代的DSP芯片TMS320F2812以及采用具有更多保护功能的智能功率模块IPM等模块化芯片构成永磁同步电机矢量控制数字化变频调速系统, 以减少外围电路, 实现硬件电路的简单化,控制精度和响应的更加快速化。

本项目经济效益20万元。

参考文献

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[3]钱君毅，罗利文.基于TMS320F2812 的感应电机矢量控制系统[J],微计算机信息.2007,23(3-2):163- 165.