基于單DSP控制器的雙磁場定向永磁同步電機驅(qū)動器的設(shè)計

1、Arefeen MohammedIEEE Senior MemberKedar GodboleMongkol KonghirunIEEE Member摘要：傳統(tǒng)的高性能驅(qū)動器利用專用的控制器完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算。然而，有一些因素快速的改變了這一情況。目前的DSP控制器與一系列精密的外圍設(shè)備集成在一起，以DSP為核心與一套有效的電力電子外圍設(shè)備的集成，顯著地簡化了驅(qū)動器設(shè)計，并且允許設(shè)計者使用獨立的DSP控制器實現(xiàn)高性能驅(qū)動器。本文介紹了基于單DSP控制器的雙重永磁同步電機驅(qū)動器的實現(xiàn)。該驅(qū)動器利用磁場定向控制實現(xiàn)更高的性能。DSP控制器利用片上電力電子外圍設(shè)備實現(xiàn)獨立控制每個驅(qū)動器而不增加任何多

2、余的芯片組成，以此來實現(xiàn)簡化系統(tǒng)及降低成本。本文還介紹了實現(xiàn)雙重永磁同步電機驅(qū)動器所有需要利用的硬件和軟件模塊。引言磁場定向永磁同步電機驅(qū)動器的性能優(yōu)勢眾所周知。傳統(tǒng)的控制器提供足夠的帶寬，也提供用來實現(xiàn)獨立高性能驅(qū)動器的片上外設(shè)。然而，有一些因素快速的改變了這一情況。目前，先進的DSP控制器集成了各種各樣的精密電力電子外圍設(shè)備(如通用定時器，PWM發(fā)生器，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器等等)。以DSP為核心同一套有用的外圍設(shè)備的集成，不僅簡化設(shè)計過程，而且提供了集成每個外設(shè)的功能在驅(qū)動器中的能力。此外，這些DSP控制器計算帶寬和電力電子外圍設(shè)備集成電路，只需一個控制器來控制多路驅(qū)動。本文討論了基于單DSP

3、控制器的雙磁場定向控制永磁同步電機驅(qū)動器的實現(xiàn)方式。這些控制器使用最低限度外部硬件來實現(xiàn)變速驅(qū)動器從而在降低整體系統(tǒng)成本同時提高可靠性，實現(xiàn)雙三相永磁同步電機磁場定向控制。本文介紹了該系統(tǒng)軟件和硬件的實現(xiàn)以及完整實驗結(jié)果分析。系統(tǒng)說明盡管有許多種多電機系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，本文的目標是介紹使用單DSP控制器實現(xiàn)多路高性能驅(qū)動器的控制。完整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。每個三相永磁同步電動機連接一個三相電壓源脈寬調(diào)制（PWM）逆變器。一個DSP控制器(TMS320F2808)用來控制兩個獨立驅(qū)動器的逆變器。片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器被用來對電機相電流和逆變器直流母線電壓測量。通過DSP控制器上可用的編碼器接口模塊獲得編碼

4、器反饋信號。DSP控制器的片上電力電子外圍設(shè)備使附加接口較少，簡化了整體系統(tǒng)設(shè)計。電機使用傳統(tǒng)的磁場定向算法實現(xiàn)獨立控制?？刂扑惴ㄍㄟ^C語言寫在DSP的片內(nèi)存儲器里。圖2是一個電機的完整軟件結(jié)構(gòu)圖。通過圖2可知“軟件模塊”是怎樣與被測系統(tǒng)變量比如相位、電流、直流母線電壓、編碼器反饋等相連接的。雙重驅(qū)動器系統(tǒng)為第二個電機執(zhí)行一個同樣的如圖2所示的軟件系統(tǒng)。圖1 雙重驅(qū)動器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2 一個電機的磁場定向控制整體結(jié)構(gòu)圖DSP控制器一個定點32位DSP控制器被用來實現(xiàn)雙重驅(qū)動系統(tǒng)。被選用的DSP控制器TMS320F2808具有100MIPS的運算速度，是32位定點DSP核心。該設(shè)備提供64K字長的

5、內(nèi)部Flash存儲器，18K字長的片上RAM。它還集成了以下電力電子外圍設(shè)備：來自具有多個16位多模式時鐘周期的PWM模塊的16位PWM輸出，16路12位精度的具有實時采樣和保持能力的ADC，四路捕獲引腳，兩路正交編碼脈沖(QEP)接口，SCI，SPI，CAN，I2C，看門狗等。圖3展示了TMS320F2808 控制器的結(jié)構(gòu)框圖。該雙重驅(qū)動系統(tǒng)用了12路PWM輸出，6路模擬到數(shù)字輸入通道，二路QEP端口，以及為系統(tǒng)調(diào)試和仿真用的JTAG端口。電壓，為I/O緩沖器提供3.3V電壓。該設(shè)備有多種封裝，但是這個應(yīng)用中使用了一個具有DSP開發(fā)工具包的100引腳的TQFP封裝。圖3 TMS320F280

6、8結(jié)構(gòu)圖硬件裝配該逆變器利用六個PWM輸出來產(chǎn)生必須的PWM信號給一個三相電壓源逆變器。電壓輸出使用一個標準空間矢量法產(chǎn)生PWM波。PWM通道的逆變器工作在20kHz頻率，PWM模塊的比較值在每一個PWM周期更新。三個板塊的組合形成了完整的系統(tǒng)。一個DSP開發(fā)板(TMS320F2808eZDSP)用作為主控制器平臺。該DSP開發(fā)板有兩個獨立的三相逆變器接口。這些逆變器板(DMC550)可用作系統(tǒng)開發(fā)平臺，提供所有系統(tǒng)開發(fā)必須的調(diào)試特性。圖4展示了DMC550平臺，該平臺提供下列功能：具有2.5Amp驅(qū)動能力的+24V DC總線，3個霍爾效應(yīng)傳感器輸入，3個相電壓和電流傳感輸入，一個總線電壓傳感

7、輸入和若干電流故障判別。兩塊DMC550 電路板平行地和一個DSP電路板連接，以此來得到雙重驅(qū)動系統(tǒng)。永磁電機取自Applied Motion (part #A0100-103-3-000)。這是一個三相永磁同步電機，反電動勢為正弦曲線的，有8個電極和一個2k線編碼器。片上QEP接口被用來連接電機編碼器和DSP控制器。圖5展示了兩個電機、兩個逆變器和一個單DSP板的完整硬件裝配圖。圖4 三相電壓源逆變器（DMC550）圖5 完整的硬件實驗裝配軟件說明圖2說明了一個電機的完整軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。第二個驅(qū)動器重復(fù)使用同樣的結(jié)構(gòu)。為了以后的擴展，軟件用C語言編寫。整個應(yīng)用軟件由兩個中斷服務(wù)程序（ISR）

8、驅(qū)動。主程序（即后臺循環(huán)）僅僅由TMS320F2808外圍設(shè)備 (例如：鎖相環(huán)，看門狗，中斷控制和事件管理器) 初始化程序組成。剩余程序由PWM_ISR子程序占據(jù)。這些中斷服務(wù)程序在每個PWM循環(huán)(20kHz)的獨立電機系統(tǒng)的時基中斷發(fā)生時被調(diào)用。兩臺三相永磁同步電機驅(qū)動器的獨立控制需要兩套磁場定向控制算法的執(zhí)行。每個電機的所有計算必須在逐周期工作方式下的每個PWM循環(huán)周期內(nèi)完成。第一個電機的軟件細節(jié)描述在下文給出。第二個電機重復(fù)同一程序。然而，在后面的小節(jié)中將描述第二個電機使用的不同的PWM通道。每個驅(qū)動器使用了下面的主要軟件模塊：PARK，I_PARK，CLARK，SVPWM（也實現(xiàn)I_C

9、LARK和驅(qū)動逆變器的空間矢量PWM輸出），QEP驅(qū)動程序，ADC驅(qū)動程序和三個PID模塊。每個模塊的輸入和輸出經(jīng)過很好的定義以便在不同的系統(tǒng)中重復(fù)使用。所有的計算使用定點數(shù)完成以減少MIPS的需求。一個被稱為IQMATH的專用的定點數(shù)學(xué)方法被用來利用DSP的硬件架構(gòu)和“C語言”編譯器。采用的IQMATH顯著地減少總的循環(huán)計數(shù)而不減少精確性。例如，下面的實現(xiàn)Y=mX+B可以在C語言中使用IQMATH寫成：Y = _IQmpy (M, X) + B；上述“C語言”的表述會引起編譯程序采取只有七個DSP的周期產(chǎn)生下面的匯編代碼。MOVL XT,MIMPYL P,XT,X ; P = low 32-

10、bits of M*XQMPYL ACC,XT,X ; ACC = high 32-bits of M*XLSL64 ACC:P,#(32-Q) ; ACC = ACC:P << 32-Q; (same as P = ACC:P >> Q)ADDL ACC,B ; Add BMOVL Y,ACC ; Result = Y = _IQmpy(M*X) + B; 7個周期類似的代碼優(yōu)化通過系統(tǒng)被執(zhí)行以保持整體MIPS需求的最小化，以便多重驅(qū)動器算法能被無任何帶寬約束地執(zhí)行。所有軟件模塊定義被創(chuàng)建為一個種數(shù)據(jù)類型。這使之有可能成為一個到任何特定軟件模塊的接口的范例。為實施雙重

11、驅(qū)動所有要求的模塊通過簡單地聲明適當數(shù)據(jù)類型被舉例兩次。例如，為了創(chuàng)建CLARKE模塊定義了一個數(shù)據(jù)類型，為實現(xiàn)雙重驅(qū)動系統(tǒng)，這個模塊作為兩個CLARKE對象使用了兩次：CLARKE clarke1, clarke2初始化CLARKE對象實例為：CLARKE clarke1 = CLARKE_DEFAULTS;CLARKE clarke2 = CLARKE_DEFAULTS;下面部分提供了幾個重要的軟件模塊的描述。正交編碼脈沖（QEP）驅(qū)動程序這個模塊計算轉(zhuǎn)子位置，也從電機編碼器脈沖確定旋轉(zhuǎn)方向。這個模塊采用了三路信號輸入：通道A、通道B、標志位（Index），產(chǎn)生電流相角、機械轉(zhuǎn)角、方向信息

12、、和一個指示Index同步事件的標志位。為了隨時確定轉(zhuǎn)子位置，讀取了QEP的時基（專用32位計數(shù)器）。該計數(shù)器數(shù)值可以基于360度機械旋轉(zhuǎn)可以提供8000個時鐘脈沖（有4次轉(zhuǎn)換的2000線編碼器可以產(chǎn)生8000個時鐘脈沖）的實際而利用。正交控制空間矢量發(fā)生器(SVGEN_DQ)這個模塊使用空間矢量PWM技術(shù)計算所需的合適的占空比來產(chǎn)生一個特定的定子參考電壓。這個模塊有效地將反Clarke函數(shù)功能和逆變器的PWM生成結(jié)合在一起。這個模塊的輸出直接更新了DSP的PWM模塊的比較寄存器。與其它模塊類似，SVGEN_DQ模塊也為了支持雙重驅(qū)動器系統(tǒng)使用了兩次。雙線電流測量ADC(ILEG2_DRV)這

13、個軟件模塊提供兩個具有可編程的偏移量和增益的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換通道。模擬轉(zhuǎn)換是同各自的PWM模塊同步的，以事件時基計數(shù)器等于零時作為開始。DSP控制器的片上ADC模塊接受單端模擬輸入，因此電流的全部范圍的測量要求具有外部增益電路用來給模擬信號設(shè)定偏移與增益的校正電平。該ADC模塊具有12位分辨率，轉(zhuǎn)換結(jié)果以左端對齊方式保存在16位的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中。這使得這個ADC輸出值的范圍是0000h到FFF0h。圖6說明了為表示雙極性電流測量方式所需的轉(zhuǎn)換數(shù)值。圖6 相電流測量值的Q15轉(zhuǎn)換Park變量變換(PARK)這個變換將在對稱的兩相靜止坐標系中的矢量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標系中。這個模塊采用了CLARKE

14、模塊的輸出和QEP模塊的角度輸出來執(zhí)行要求的轉(zhuǎn)換。圖7說明了該矢量變換。圖 7 PARK模塊內(nèi)的矢量變換Clarke變量變換(CLARKE)這個模塊將對稱的三相分量轉(zhuǎn)換為對稱的兩相正交分量。被測量的兩相電流作為這個模塊的輸入部分被饋送。這個模塊接收Q15格式，也輸出正弦Q15格式。以來自QEP模塊的轉(zhuǎn)子角度為基礎(chǔ)的速度計算器(SPEED_FRQ)這個模塊依據(jù)從QEP傳感器得到的轉(zhuǎn)子位置測量值來計算電機轉(zhuǎn)速。為了避免過渡中斷(0到360為順時針方向，360到0為逆時針方向)速度微分器被限制在一定的轉(zhuǎn)子角度范圍內(nèi)。這個范圍限制不僅明顯地減少了轉(zhuǎn)子速度信息，而且顯著地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，一個低

15、通濾波器被用來減少由一個純微分器產(chǎn)生的放大噪音。一個簡單一階低通濾波器提供了系統(tǒng)的一個可觀測到的速度穩(wěn)定性。具有抗積分飽和的數(shù)字PID控制器(PID_REG3)這個模塊實現(xiàn)了一個32位的具有抗積分飽和更正功能的數(shù)字PID控制器。這個模塊同樣可以用作PI或者PD控制器。這個模塊利用后向差分近似法。每個驅(qū)動器使用三次這個PID模塊，因此這個雙重驅(qū)動系統(tǒng)使用這個PID模塊六次。圖2所示的系統(tǒng)被獨立地重復(fù)使用以用來控制第二個驅(qū)動器。下面的表格說明了每個驅(qū)動器的各個軟件模塊的存儲器空間需求。執(zhí)行雙重算法利用了TMS320F2808的所有可用的64kW的flash和18kW的RAM存儲器中的大約4kW的程

16、序空間和0.5kW的數(shù)據(jù)空間。表1 不同軟件模塊存儲空間要求模塊程序（W）數(shù)據(jù)（W）PID_REG38534SPEED_FR10420QEP_DRV15017PID_REG3(IQ)8534PID_REG3(ID)8534PARK4512CLARKE2310I_PARK4512SVGEN_DQ25612ILEG2_DRV12612RAMP_GEN5714RAMP_CNTL5516FC_PWM_DRV2579實驗結(jié)果一個雙重驅(qū)動系統(tǒng)如圖5所示那樣實現(xiàn)。該系統(tǒng)開發(fā)分階段完成，這樣可以顯著地減少最終的系統(tǒng)調(diào)試過程。這個漸增的開發(fā)過程一次測試很少的幾個軟件模塊，并且只有在當前階段完成后才進入后續(xù)的開發(fā)

17、階段。圖8說明了第一個開發(fā)階段測試初始軟件模塊。在這個開發(fā)中測試了像SVGEN, FC_PWM_DRV等初始模塊。逐步地增加了所有必需的軟件模塊后，完整的系統(tǒng)就建成了，最終建成結(jié)果如圖2所示。圖8 測試一個在建系統(tǒng)的初始模塊每個驅(qū)動器的獨立控制被實現(xiàn)。總的MPIS需求量很好的低于來自控制器的可用的100MIPS，這在使用同樣的設(shè)備時提供了額外的帶寬更好地完成積分函數(shù)運算。圖9展示了給電機的生成電壓。圖10展示了一個電機的被測量的相電流。圖11說明了一個電機的轉(zhuǎn)子位置和相電流的關(guān)系。圖9 為雙重驅(qū)動系統(tǒng)生成的線電壓圖10 生成的電機相電壓（相電壓）和重建電機相電流（低跡線）圖11 第一個電機的編

18、碼器反饋與A相電流測量值的關(guān)系（低跡線）總結(jié)這篇論文的目的是說明一個單獨的DSP控制器可以被用來實現(xiàn)使用如磁場定向控制這樣的高級算法的雙重高性能的驅(qū)動器。這篇論文闡述了高效率地實現(xiàn)一個雙重驅(qū)動系統(tǒng)所需的硬件裝配和軟件策略。完整的系統(tǒng)程序使用模塊化的方式用C語言編寫，可以靈活地用于以后的系統(tǒng)集成。參考文獻1. A M Trzynadlowski, “The field orientation principle in control ofinduction motors” Kluwer Academic Publishers, 1994.A M Trzynadlowski, “異步電機的磁場定向控制原則” Kluwer Academic Publishers, 1994. 2. W Shireen, M S Arefeen and D Figoli, “Mul