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使用单个DSP控制器的集成多种电机控制器功效
使用单片DSP控制器的集成多种电机控制功效
摘要:
DSP电机控制器提供了唯一的在线外围设备和完成电机控制应用所需的计算能力,被广泛的应用在航空宇宙,汽车,医药,机器人技术,制造业和家庭应用.单片DSP控制器解决方式,允许设计者完成多重功效诸如整体的电机运行算法,能力因素纠正方案和通讯协议等等,这都是整个电机运行系统所需要的,廉价的DSP电机控制器大多被用作电机运行的通用硬件平台.这减少了总体的系统开销,缩短了投放市场的时间,这片论文主要阐述了3相位AC感应电机运行的全部过程,这种电机具有能量因素纠正和串行通讯,使用的是单个廉价的DSP电机控制器.
使用说明
白色商品诸如洗衣机,电冰箱,加热器,通风器和空调这些年来已经有了很大的进步,整体的设计进步,先进的机械设计,有效的控制技术,用来满足消费者的需要和要求,尽管这些产品在许多方面有了一定的发展,很多情况下,这些电机单元或系统的运行只是采用了相关的简单设计和执行.多数情况下,这些都是保持了单相位AC感应电机和运行在预定速度或一定范围内变速的通用电机.直到现在,这些简单执行过程也没有把先进算法带来的效益资本化,但是它为制造商提供了可以接受的解决方式.尽管如此,人们对高效率和高灵活算法的要求不断提高,制造商已经开始研究其他的可用的解决方式.譬如,由于能量效率的要求连续变速操作对家用电器就变得非常重要,而且,精确的转距控制对洗衣机的运行显得尤为重要,例如,单轴洗衣机运行在低速时要求高转距,而运行在高速时要求低转距,此外,洗衣机还要求非常精确的速度控制.这导致了高速环运行.传统的说,对价位比较敏感的电器市场促使设计者尽量避免在电机运行设计中使用DSP控制器,现在许多因素已经改变了这种想法.自从DSP80年代引入中国市场以来,价位已经从数百美元降至大约3美元.此外，DSP控制器现在集成了多种外围设备.带有一系列外围设备的高速DSP芯片不仅简化了设计过程,还提供了在电器中集成多种功效的能力.而且单片DSP就能完成这些功能。
这片论文的目的是为了说明许多先进的电机控制算法甚至对一些价位敏感型电器靠使用廉价的DSP控制器都是可行的.此外,这些DSP控制器的高带宽可以使设计者使用单个芯片集成多重功能.这些功能包括电机控制,功率因数修正,通讯协议等等,而且不仅限于这些.使用廉价DSP控制器具有功率因数修正和串行通讯的单板AC感应电机已经设计制造成功.软件和硬件方面的细节描述更加证实了这个声明的有效性.
DSP控制器概述
先进的电机运行系统要求一个典型的电机控制器具有以下特征:
1:
能够产生多重高频率,高分辨力的PWM波形
2:
能够执行先进算法来快速处理以减少转距波纹,在线参数设定,精确速度控制等等.
3:
使用相同的控制器完成多重功能（电机控制,功率因数修正,通讯等等）
4:
使整个的运行过程尽可能简单（销减的零件数,简单的界面和制造等等）
5:
使用灵活的控制方式,使以后的修改能够靠软件完成,而不用再另外设计硬件平台.
一系列新的DSP控制器能够有效的为这些端口编址,这些控制器提供了DSP芯片计算能力,并且集成了有用的外围设备以减少总体的芯片数量.下面将详细讲述这些DSP控制器。
用于电机运行的DSP控制器
一些对价位比较敏感的系统使用DSP控制器已经成为可能.此外,一些传统的精密处理比如数字过滤器,FFT,这种新的DSP集成了所有的重要电子外设来简化系统的运行.这样不仅减少了系统的部件数,还缩小了板子的尺寸.
由Texas公司的DSP控制器TMS320F240完成一个带多重功能三相位AC感应电机的运行,这些功能包括:
速度闭环控制,使用最新拓扑的电机能量控制和串口通讯.图1说明了TMS320F240的报文结构.其中的DSP芯片是16定点,处理速度为20MIPs,同时集成了以下电子外设,比如,12路PWM信道,3个16位的系统定时器,16信道带有同时转换功能的10位ADC,4个采集器,译码接口能力,SCI,SPI和看门狗等等.
6个PWM信道控制这个三相位的电压源反向换流器,这6个PWM信道被分为3组,3个比较器,叫做全比较,与每一个PWM信道配对.比较器数值不断的更新来获得合适的PWM输出.片内软件可编程,死带模块提供了足够的停滞时间来避免出现错误,剩下的PWM信道用来完成其他功能.
图1：
DSP控制器TMS320F240的结构图
系统描述
这片论文就是为了说明DSP控制器能够使设计者在电机运行中用最少的外部零件来完成多种功能.一个多功能的感应电机已经成功的使用这样的DSP控制器运行.图2显示了系统的报文结构.
这个3相位的转换器使用了6个PWM信道.片内软件编程产生停滞时间,一个25齿的链轮齿给控制器的采集单元输入速度,功率因数修正控制靠熟悉的拓扑来完成.能量转换靠另一个控制器的PWM信道控制.简单的分电压电路来形成数字模拟转换器所需的电压.
全部的运行主要运用了3个软件模块.包括:
电机控制的闭环空间矢量PWM,功率因数修正用来改进系统的能量输入,串口通讯模块.
接下来讲述上面所提及的软件模块的具体执行过程.
图2：
使用单个DSP控制器执行多重功效的系统原理图
SVPWM的执行
为了有效地给电机提供能量,转换开关方案就显得尤为重要,空间矢量脉宽调制就是这样的一种转换方案,它利用简单的SinePWM波形带来了效益.SVPWM有一个较高地直流利用率和较少的谐波铜损失.对一个给定的直流电压输出,SVPWM能够使三相位电机的输出能量提高16%,图3显示了空间矢量PWM执行的全过程.
整体的应用软件靠中断服务程序（ISR）运行.主要的代码仅仅包括TMS320C240的串口初始化,剩余代码由PWM_ISR接管.ISR每隔50us被唤醒一次,靠的是事件管理器定时器1中的时间事件标志.
产生SVPWM波形需要下述3步:
1:
产生合适的参考电压矢量
2:
将参考电压矢量转化为合适的模拟量a,b,c
3:
使用片内PWM输出的计算开关形式的实现.
图3：
速度闭环空间矢量PWM运行的原理图
产生参考电压矢量----产生参考电压矢量需要在d-q面内精确的定位电压矢量,这样便于在d-q板内以一定的角速度将参考电压矢量旋转一定的角度.用户来设定角速度w，控制器收到后,角速度被一个精确的频率产生算法控制,依靠一个定长的寄存器的模.如图4所示.这个综合器的前8位被作为一个顺时针旋转的指针,这个寄存器有一个固定的数值,使得这个指针在Sine面内以一定的速度旋转,最后限制这个指针的转速,当给定下一个数值时继续旋转，如图3&4所示,在参考电压所在的面内,sinά的值用来将参考电压分割成基本的空间矢量.这种分解在6块内是同样的,所以只需一个60度即可.为了完成一个循环,这个段需要旋转6次,对一个给定的步进数值,角频率由以下公式给出:
fs:
采样频率
STEP:
角度步进增量
m:
综合寄存器的位数
对一个给定的PWM频率（fs=20KHz）,STEP（=1）.m（＝16bits）,角频率就是0.061Hz.因此,转换器的输出频率能够控制在0.1Hz以内.在同步正弦波中矢量逆时针旋转地角度还还会引起谐波失真.一个256位的矢量旋转60度,60/256=0.23，这样每一位就表示0.23度。
图4：
使用转换器的基向量输出来产生参考电压
把参考电压矢量变为相应的模拟量a,b,c.
三相位的电压源转换器能产生8个基本矢量.图4显示了其中6个（v1,v2,v3,v4,v5&v6）,另外2个没有标出的矢量v0,v7表示对应于零（000）和7（111）的零矢量.为了产生一个绝对的参考电压
需要一个给定基矢量的平均时间.所需的参考电压
位于一个空间坐标内,能够被分解为相邻两个向量Vx和Vy.这样参考电压就可以写作
（2）
是零矢量,
，
，
是PWM转换时间内x轴,y轴,z轴的微分.这些微量加起来必须慢走一定的PWM转换间隔,例如:
。
（3）
M是调制指数;
（4）
（5）
（6）
（7）
图5：
使用链轮齿来测量速度
这些等式适用于任何一个段,因为d-q参考帧可以由任何基本矢量排列而成.这就是为什么在运行中需要一个逆时针的60度角.
PWM转换方式的实现
对一个给定的参考电压V*.估算出所要求的PWM微分,
，
，
后,比较寄存器还需要一个适当的比较电压.每一个PWM时间内需要一系列新的比较值（
）来产生转换方式.它们可以写作:
（8）
（9）
（10）
估算出的比较值位于PWM转换寄存器内,DSP控制器在一个新的PWM循环开始前更新这些值.
转速值由一个廉价的25齿的链轮器和感应器获得,图5表明了相关的链轮器物理细节以及与角速度的关系.合成脉冲速度是25脉冲每循环.感应器的输出直接输入给C240的输入端1,在那可以测出齿和齿的啮合时间.为了减少时间波动,每检测到一个新的脉冲,需要留出25个时间间隔，一旦”robust”时间量从一个平均算法中提取出,角速度就由转换时间值决定.经典的PI调节就用来完成闭环速度控制.
功率因数修正
功率因数修正对于许多市场地区变得很重要.通常欧洲的IEC和美国的IEEE成为片外设备限制谐波流的发展标准.
许多新的电子产品要求有一个统一的功率因数和失真流输入波形.传统的交流-直流转换器使用的是带有电容器的二极管桥整流器来从交流电路中提取能量.片外设备的输入流波形是由一个窄脉冲供给的,这种设备运用的是整流滤波,由于高的流波形谐波失真,功率因数是很少的.
常用的带有简单能量转换的拓扑可以用来改进输入功率因数.能量转换控制着能量流,当开关打开,感应器建立电流的同时,二极管关断.通过二极管和直流电容器的交换,能量就存储在感应器当中了,根据给定电压可以把感应电流控制在一定地范围内，对于功率因数修正,通常根据电容电压来控制感应电流.直流边的电流和电压同相位.尽管如此,方案还是以前向控制配给为基础的,省略了电流测量以简化整个电机运行过程.测量电容器的输出电压来获得输入电流波形,全波电容器线电压要符合模拟通道.用一个耐压好的电压分配器来限制输入电压.
通过测量直流电容器电压了解输入电流值,使用一个耐力好的电压分配器,这个电压同样符合另一个模拟通道.
测量直流电容器电压来获取输入电流大小，这个电压同样需要符合另一个使用耐压转换器地模拟信道。
这两个电压限制了控制转换的例行操作速率.公式如下:
:
促进能量转换的速率
:
最大允许的速率
:
电容器输出电压感应
最大允许的速率,
是由直流电压水平所决定的,这个速率可以写作:
:
能量转换的PWM间隔
图6：
各种周期定时和同步
图7：
完成多重功效的实验板
一般使用PI方案来获得
，而
的值取决于应用,而且应该总是高于输入电压的峰值.模拟-数字转换和PWM信道对功率因数修正的响应是同步的,图6显示了不同控制环的调速.
一般从尺寸上来讲,转换器比过滤器要小,希望有效的功率因数修正能够满足以后苛刻的能量规章.
实验结果
设计了如图7所示的250-W实验板来完成前面的所提及的所有功能.一个带有风扇三相位的感应电机作为负载连接在板子上,输入是标准的直流电,操作频率范围是0到60Hz,这个三相位的转换器和能量转换使用IRF840电力MOSFET,电感大约150uH,软件使用的是汇编语言且少于4KW的空间,控制器的片内闪存存储了这个方案.
图8：
电机相位流和相应的频谱
图8显示了电机相位流和相应的电流频谱.电流失真是由20KHz的SVPWM产生,图9显示了输入直流电压和带有功率因数修正的二极管桥整流器的前向输入,图9在功率因数方面的改进是明显的.表1指出了不同操作频率下的能量水平。
一些电流波形失真是可以检测到的,这个感应器在较高的操作频率下是饱和的,这样就导致了失真,尽管如此,电机相电流和线－线电压是可以无限制失真的。
软件起始特征和软件是一体的,启动时,电机以一个预定速度运行,控制速度的突变需要由一个文件来控制。
图2显示了各种软件模数的带宽利用率,很明显,集成多种功能并不能完全利用DSP的带宽,因此如果需要的话可以采用更先进的算法。
结论
这个新系列的DSP控制器成为价位敏感型应用的一个选择,这些控制器有足够的带宽并且集成了片内能量电子串口设备，能够在电机运行时完成多种功能.集成多种功能减小了系统开销,缩短了产品投放市场的时间,实验结果证实了本文的可靠性。
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