基于DSP28335的永磁同步电机调速系统设计.docx

基于DSP28335的永磁同步电机调速系统设计.docx

《基于DSP28335的永磁同步电机调速系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于DSP28335的永磁同步电机调速系统设计.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于DSP28335的永磁同步电机调速系统设计

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛

项目报告

题目：

基于DSP28335的永磁同步电机调速系统设计

组别：

专业组

应用类别：

先进控制类

平台：

C2000

题目：

基于DSP28335的永磁同步电机调速系统设计

摘要（中英文）

本控制系统的设计是为了实现基于TMS320F28335的永磁同步电动机的调速系统，并把它引用到全电动注塑机当中。

本系统使用SVPWM的控制方法，通过采样电机电流和旋转变压器的位置信息，实现速度、电流双闭环控制。

通过TMS320F28335的硬件浮点处理核心，实现应用于永磁同步电机的浮点算法，去取代过去的定点算法，提高代码效率。

Abstract:

ThecontrolsystemisdesignedtorealizeTMS320F28335basedonthepermanentmagnetsynchronousmotorspeedcontrolsystem,andputittoquotingallelectricofinjectionmoldingmachine.ThesystemofthecontrolmethodusedSVPWM,throughthesamplingmotorcurrentandrotatingtransformerpositioninformation,realizespeed,currentdoubleclosedloopcontrol.ThroughtheTMS320F28335hardwarefloating-pointprocessingcore,realizetheapplicationforpermanentmagnetsynchronousmotorinthefloatingpointarithmetic,toreplacethepastfixed-pointalgorithm,andimprovetheefficiencyofthecode.

1.引言

1.1设计背景及目的

本永磁同步电机调速系统是全电动注塑机的其中一个应用部分。

全电动注塑机凭借着其节约能源、清洁、噪声少、速度控制效果好、精度高、可重复性高、成本低等众多优点，成为了当下高端注塑机发展的一个方向。

全电动注塑机的所有运动机构都采用交流伺服电动机驱动，一个稳定高效的永磁同步电动机驱动方案成为了全电动注塑机性能的一个总要部分。

本次设计以适用于全电动注塑机的永磁同步电动机控制系统为目标进行设计，采用TI公司的TMS320F28335作为控制核心。

凭借TMS320F28335高速的运算能力，适用于电动机控制的各种外设，以及TMS320F283XX特有的硬件浮点运算能力，进行永磁同步电动机的调速控制系统的设计。

1.2设计所要解决的问题

本次设计希望解决以下问题：

（1）完成TMS320F28335的永磁同步电动机控制板的设计。

本系统自主设计系统控制板，以TMSF28335作为主控芯片，采用TI公司提供的丰富的软件资源进行电机控制算法的设计。

（2）完成各外设功能的设计及实现。

本次系统应用了PWM、SPI、ADC、SCI等外设以及若干通用I/O口，每一部分都完成各自的功能与任务。

本次设计必须在每一个模块功能的完整实现后，才能真正整合成一个完整适用的控制系统，以实现永磁同步电动机调速控制的功能。

（3）实现基于TMS320F28335的定点算法到浮点算法的转换。

由于TI公司提供的电机控制的各种库函数大部分是由原来的TMS320F28XX定点芯片转换过来的函数，函数主要还是使用IQ库进行运算。

为了发挥TMS320F28335强大的硬件浮点运算功能，提高代码的效率，必须在设计出浮点的控制方法。

（4）实现调速系统的PID闭环控制。

PID控制是经典控制当中的应用最广，最有效的控制方法之一。

永磁同步电动机的调速系统的速度、电流双闭环的PID参数的调试和确定是系统稳定运行的一个关键。

（5）提高调速系统的稳定性和鲁棒性。

在完成PID控制的基础上根据不同速度、负载智能改变PID参数的控制方法。

（6）与PC通信进行电机的控制。

通过SCI与PC机进行通信控制，实现PC机发送命令控制运动。

2.系统方案

2.1系统整体设计方案

图2.1永磁同步电机磁场定向控制原理框图

如图2.1所示，整个永磁同步电机调速系统工作在速度控制模式下，通过串行SCI接口输入速度值以及电机转向。

当输入位置控制信号，信号回首先输入位置环，位置环输出速度信号，速度环对输入速度信号进行PI调节，输出Q轴参考电流，D轴的参考电流始终保持为0，然后在分别对两电流作PI调节，得到两相运动的电流信号，接着通过逆PARK变换，变换成两相静止的电流信号，静止的电流信号通过SVPWM模块产生出六路PWM控制功率逆变器驱动电机。

U相和V相的电流值由分别安装在两相上的采样电阻及后续放大处理电路得到，并通过DSP的AD模块输入。

DSP将得到的U相和V相的电流，通过CLARKE变换变成静止的两相电流，再通过PARK变换把静止的两相电流转换成运动的两相反馈电流，送入电流环中进行运算。

通过安装在电机尾部的旋转变压器，以及负责将旋转变压器的模拟信号转换成数字量的AD2S90与AD2S99芯片，可以准确地读取永磁同步电机转子的位置，并将此位置以数字量的方式通过SPI传送给DSP。

DSP可计算出电机的当前速度，反馈给速度环，并且将电角度的值赋予PARK变换与PARK逆变换。

2.2系统关键算法

2.2.1CLARKE变换及PARK变换

在永磁同步电动机的控制当中，对电流的采样和反馈的关键是对三相电流与转子位置关系的解耦和反馈。

如图2.1中的CLARKE变换和PARK变换就是完成这一工作，把采集回来的A相、B相电流，转换成与转子位置无关的动坐标系的D-Q轴电流，再进行电流环的控制。

CLARKE变换和PARK变换都是基于三相交流电机的数学模型的变换公式，其中CLARKE变换是把每一个瞬时的静止a-b-c三相定子电流坐标空间转换成静止的d-q坐标系，如图2.2所示。

图2.2定子静止a-b-c坐标系与静止d-q坐标系

坐标系变换关系为：

（式2-1）

而PARK变换则是吧静止的d-q坐标系转变成跟着转子旋转旋转的动坐标系D-Q坐标系，以完成电流与转子位置的解耦。

具体原理如下图2.3。

图2.3静止d-q坐标系与旋转D-Q坐标系关系图

如图所示，D轴为转子磁场指向的方向，ID、IQ的值由D轴及d轴的夹角和Id、Iq有关，其具体公式如下：

（式2-2）

2.2.2SVPWM的产生

SVPWM的产生是三相交流电机控制的关键，为了获得SVPWM波，控制单元必须产生控制信号来控制逆变器的开关以实现波形的输出。

SVPWM在交流电动机中按预定的电压相位工作，SVPWM产生脉冲信号，且能减少谐振。

在信号转换方面，采用高速光电耦合器件，把这8个信号转换连接驱动功率模块产生8个不同相位电压V0~V7。

图2.4描述了这种结构。

图2.4矢量脉宽调制器的矢量示意图

矢量轴把图2.4分成六部分。

相邻矢量的二维表示法只有一点点不同，在改变相序时，得出结论是：

只有一个晶体管改变导通方式。

但一个矢量转换到另一个相邻矢量模式的矢量时，在产生预定输出电压的采样T期间,这两相矢量时矢量和。

对于数字信号处理器TMS320LF28335，可以利用芯片集成的PWM信号发生器通过编程的方式来实现。

任何给定输出所对应的空间矢量可以由图2.5所示的对称切换方式由基本空间矢量拟合出来。

这种对称的输出方式可以非常方便地由TMS320LF28335通过软件的方法控制三路PWM发生器实现。

切换满足一下变化规律：

（O000，Ux，Ux±60，O111，Ux±60，Ux，O000），其中x=0、120、240且有以下特点：

（1）每个PWM通道在每一个PWM周期中切换两次；

（2）在每一个由相邻两个基本矢量所划分的空间里，三路PWM通道的切换顺序保持一致；

（3）每一个PWM周期中，输出状态都由O000开始；

（4）每一个PWM周期中，插入的O000状态的值与O111均相同。

图2.5三相空间矢量PWM波形

通过改变T1、T2的大小就能完成空间矢量的不同角度的产生。

2.2.3抗饱和积分PI控制器的设计

在电机控制中通常会用PI调节器进行调节，但如果直接用PI调节器进行调节的话，在饱和输出时积分环节往往还停留在一个比较大的值，所以，本设计所使用的电流和速度调节器都是带有积分校正的PI控制器，它的好处是，在能非常快的退饱和，能够有效地提高系统的动态性能，减少超调量。

其算法框图，如图2.6所示。

图2.6抗饱和积分PI控制器算法框图

其中：

为比例项的输出值，

为比例系数，

为当前误差，

为积分系数，

为积分项的校正系数，

为积分项的输出值，

为输出限副前的值，

为输出值，

和

为输出限副的最大值和最小值。

（1）Kp参数分析：

比例系数Kp的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。

Kp越大，系统的响应速度越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此Kp值不能取的过大;如果Kp值取较小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统动、静态特性变坏。

（2）Ki参数分析

积分环节作用系数Ki的作用在于消除系统的稳态误差。

Ki越大，积分速度越快，系统静差消除越快，但Ki过大，在响应过程的初期以及系统在过渡过程中会产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使动态性能变差；若Ki过小，使积分作用变弱，使系统的静差难以消除，使过渡过程时间加长，

（3）Kc参数分析

积分饱和校正系数Kc的作用在于当控制器输出饱和时，能迅速使得积分项的输出值降下来，避免积分变量因累加过大，控制器输出值不能迅速退饱和而产生过大超调。

Kc越大，控制器的输出值退饱和越快，但，Kc过大会使得输出值在饱和值附近产生过大的振荡使得系统反应过慢；Kc越小，控制器的输出值退饱和越慢，但，Kc过小会使得输出值长时间不能退饱和使得系统容易产生过大超调。

（4）参数的整定

PID参数的整定在工程上有很多方法，其中用得比较多的有仿真法和经验整定法。

由于仿真法对电机参数的非常敏感，本次系统的参数整定使用经验整定法，经过反复的调试，对于不同速度段的PID参数进行整定，获得分段的PID参数。

2.2.4电流环的设计

电流环是整个永磁同步电机调速系统的内环，也是整个系统最重要的一环，其动态响应特性直接决定着整个系统的好坏。

必须保证电流环的响应速度、控制精度,矢量控制策略才有可能实现。

系统的载波频率为15kHz，即电流环的控制周期为15kHz/s。

由于要同时控制D轴和Q轴的电流，所以电流控制需要两个电流环同时协调工作以达到Q轴电流与速度环给定的电流相等，D轴的电流等于零。

Q轴电流调节和D轴电流调节均使用抗饱和积分PI调节器。

电流调节器的参数整定的操作方法：

1.把电机的转子固定，目的是为了消除电机转动时反电势的干扰；2.给定一个频率为1kHz的正反电流信号，目的是对应速度环所给电流信号的速率；3.分别采集给定电流信号和反馈电流信号进行对比，反复尝试调整PI参数，直到效果最好为止，从而整定PI参数。

2.2.5速度环的设计

速度控制也是交流伺服控制系统中极为重要的一个环节，其控制性能是伺服系统整体性能指标的一个重要组成部分。

从广义上讲，速度环也应具有响应快，超调量少的特性。

具体而言，反映为小的速度脉动率、快的频率响应、宽的调速范围等性能指标。

选择好的三相交流永磁同步伺服电动机、分辨率高的光电编码器、零漂误差小的电流检测元件以及高开关频率的大功率开关元件，就可以降低转速不均匀度，实现高性能速度控制。

但是在实际系统中，这些条件都是受限制的，这就要求用合适的速度调节器来补偿。

速度环不需要过高的采样频率，过高的采样频率容易引起系统的不稳定。

在程序中，设定每20次PWM周期进行一次速度采样，即速度环的控制周期为0.75kHz/s。

这里的速度调节器的参数整定跟电流环一样，都是通过反复调试确定的。

3.系统硬件设计

3.1系统总体硬件设计

本控制系统采用TMS320F28335为控制核心进行电机控制板的设计，以现成的功率驱动板作为功率放大驱动部分，通过信号接口进行控制。

本次设计中应用了ePWM、ADC、SPI、SCI等外设，以及使用GPIO进行驱动模块的风扇、继电器、刹车电阻用的IGBT的通断控制，以及键盘、数码管人机交互的实现。

本次设计采用了旋转变压器进行位置信号反馈，通过AD2S90进行位置模拟信号的处理。

以下是本次设计的总体设计图，其中DSP28335控制板为本次设计的主要部分。

图3.1基于DSP28335的永磁同步电动机硬件系统图

3.2PWM控制电路

本次控制系统采用SVPWM控制方法，PWM由DSP28335的ePWM外设产生，通过74HC245做输出缓冲增强负载能力，驱动功率驱动板上的光耦。

功率驱动板采用现成的产品，选用的是IGBT模块7MBR50S120,1200V，50A的PIM。

PWM的输出电路图3.2所示，通过一个PWM1S_ENABLE信号对PWM的输出进行输出或关断，PWM1S_ENABLE信号通过软硬件两个方法对输出进行保护，以保证在错误信号到来时硬件自动关断PWM输出，保护电机和驱动模块。

硬件保护电路如图3.3，通过SN74HC74芯片做D触发器，74HC08与门对错误信号，复位信号，软件控制信号进行逻辑处理和判断，对错误信号进行迅速处理。

图3.2PWM输出缓冲

图3.3错误信号检测及硬件保护电路

3.3模拟量输入通道

TMS320F28335的ADC只能对0~3V的模拟信号进行转换。

因此必须对功率驱动板反馈回来的电流信号、直流母线电压采集信号进行信号调理。

本系统中需要读取的模拟量包括a、b相电流，母线电压值。

3.3.1A、B相电流信号采集与调理

电流反馈是永磁同步电机控制中的一个重要的环节，本系统中功率驱动板采用采样电阻采样A、B两相的电流，通过A7840隔离放大器对微电压信号进行放大，再通过TL082C运算放大器进一步放大双极性的电压信号，本控制板通过图3.3中的电路对双极性的信号进行变换，变为TMS320F28335可以处理的0~3V的单极性信号。

模拟信号采用REF193提供参考电压源，通过固定放大倍数0.2倍的运放IN159做零点平移，并设计了防过压的电路，保证输入DSP的电压不会超过容忍范围。

图3.4电流信号调理电路

3.3.2直流母线电压采集与调理

功率驱动板的电源管理部分已对母线电压进行了处理，其范围信号范围在控制在了0~3V之间，可以对其信号进行直接采样，如图3.5所示。

图3.5直流母线信号调理电路

3.4旋转变压器信号处理电路

转子位置的检测在电机控制当中起着关键的作用，在电机控制策略当中无论使用无感还是位置传感的方法，都需要获得转子位置信息，才能进行SVPWM的产生。

本设计中所使用的永磁同步电机采用旋转变压器作为转子位置信息的检测单元，通过正弦模拟励磁信号激发，反馈回来两组相位相差90°的正交正余弦信号，通过瞬时信号的检测来判断所在位置。

为了把旋转变压器的模拟信号转换为数字信号，本次控制系统采用了AD2S90，AD2S99的芯片组合。

由AD2S99产生励磁信号，由AD2S90把正交的正余弦信号进行模拟—数字转换，并通过SPI通信总线发送回DSP。

其具体电路如图3.6所示。

图3.6旋转变压器信号模数转换电路

3.5数码管显示及键盘电路

数码管显示及键盘输入是系统中一个简单的人机交互的方式，本次设计使用5位数码管与8键键盘，数码管的显示数据通过74HC164移位寄存器做串入并出的处理，以减少I/O口的使用，同时使用I/O口做5位数码管的位选。

同时由于控制信号都是输出信号（Output），为了提高驱动力，控制信号采用了74HC245做输出缓冲。

数码管显示的主要电路如图3.7所示。

而键盘方面，直接使用8个I/O口做8位键盘的信号读取，八个按键开关直接连接I/O口和地，由DSP作I/O口扫描。

图3.7数码管显示控制电路

3.6隔离的RS485接口电路

扩展通信是本次设计的一个主要内容，通过PC机对控制系统进行在线控制，需要使用通信接口。

本系统利用DSP的SCI外设，通过隔离的方式进行RS485的工业通讯设计，采用了MAX488作为信号转换芯片，实现全双工的通信功能。

通信接口电路如图3.8。

图3.8带隔离的RS485通信接口电路

3.7开关量控制信号

本次使用的功率驱动板配有模块散热风扇，继电器，刹车电阻导通等部分的开关量控制信号。

其信号通过74HC07做简单的缓冲输出。

信号在功率驱动板上通过光耦TLP181进行隔离。

3.8提高系统抗干扰性能的措施

永磁同步电机的运行状态处在一个电磁干扰较复杂的环境当中，提高控制系统的抗干扰性能对控制的正确性和稳定性起着重要作用。

本次硬件控制板采取了一下一些措施来提高其抗干扰的性能。

（1）按功能划分的设计布局。

设计当中把模拟部分和数字部分进行了空间上的划分，模拟地与数字地之间只通过磁珠进行连接，尽量避免数字信号与模拟信号之间的相互干扰，提高各种信号的性能。

同时每一个功能模块电路都尽量集中在一个区域进行布局，减少了不同功能模块之间的相互干扰。

（2）采用四层板设计。

本次硬件系统设计采用四层板设计，中间两层分别为地和5V电源，即内电层，提高了系统对外界的抗干扰能力。

（3）避免环形电路，不同的层之间尽量采用相互正交的布线方式，减少寄生效应。

（4）采用旁路去耦电容。

每一个器件都使用了参考值为0.1μF的旁路电容进行去耦，提高器件的电源质量。

（5）由于控制接口到功率模块的走线距离不宜过长，在设计的时候连接线都尽量缩短距离，PWM的走线的距离尽量保持相当的距离，以提高控制质量。

4.系统软件设计

4.1系统程序的框图及其说明

4.1.1主程序设计

主程序的作用是对系统程序的初始化，并且设立死循环程序作为液晶显示和按键扫描，等待中断程序的产生。

主程序框图如图4.1所示。

程序流程是：

系统上电或复位后，首先进行系统初始化，配置并使能系统时钟，初始化中断向量表。

然后依次配置各外设引脚以及对外设的初始化。

外设包括：

ADC模块，EPWM模块，I/O端口，SCI模块和SPI模块。

接着配置各个实际参数，包括：

电机的铭牌参数，电流环以及速度环的PID参数，FIR滤波器的系数。

最后进入主循环。

在主循环里进行按键识别与数码管显示的程序。

按键识别首先进行消抖处理，判断返回的键值，然后根据相应的键值在PWM中断里进行对应处理。

数码管显示通过两段与三段数码管的组合，将任意变量值在数码管中显示。

图4.1主程序框图

4.1.2CPUTIMER0定时器中断程序

在定时器中断里，DSP触发AD采样，采样得到UV两相的电流值，并判断是否过流，若过流，则停止电机。

如图4.2所示。

图4.2定时器中断程序框图

4.1.3PWM中断程序

在PWM中断程序里DSP做了大量的运算，是整一个程序的核心。

在设计中，将PWM中断的频率编程设为15KHz，即电机的载波频率。

PWM中断程序的具体过程如下：

首先，DSP通过SPI接口读取AD2S90芯片存储的电机位置信息，将读回来的值换算成电机的机械角度，并计算电角度。

然后获取定时器0中断采样得到的U相与V相电流值，经过简单的滤波处理后，进行CLARKE变换和PARK变换，得到跟随电机转子运动的D轴和Q轴电流值，即励磁电流和转矩电流。

接着，进行速度闭环和电流闭环的运算。

先进行速度闭环，将给定电机转速与当前电机转速相减的差值送入速度环PI调节器中运算，得到Q轴的电流iq。

再进行电流闭环，将iq﹑id分别与计算出来的实际的iq﹑id值进行比较，差值送入各自的电流环PI调节器（这里的id为0）。

出来的结果经PARK逆变换之后转化成α﹑β两相的电压值。

经过空间矢量SVPWM算法的运算最终控制DSP6路PWM发生器产生不同占空比的PWM波，从而达到控制电机转速的要求。

图4.3ePWM中断程序框图

4.1.5SCI串行通讯接收中断

SCI串行通讯接收中断主要的作用是：

接受设定的控制命定和速度值，其程序框图，如图4.4所示。

图4.4SCI串行通讯接收中断框图

5.系统创新

本次系统的基于TMS320F28335作为主控芯片，作为TI公司Delfino系列中处于中高端的一员，以其适合于控制器的外设功能和强大的硬件浮点能力成为了工业控制当中的先进的控制核心。

本次《基于DSP28335的永磁同步电机调速系统设计》以TMS320F28335为核心，有以下创新：

（1）采用硬件浮点算法。

目前大多数的电机控制算法都是采用定点方式进行运算，采用TI提供的IQ定点数学函数库进行处理。

目前TMS320F28335的函数库为了兼容前者也有IQ库的功能，为了更好地利用TMS320F28335的硬件特性和浮点功能，本次系统设计采用硬件浮点的运算方式进行算法设计，提高算法的效率，减少CPU的负担，充分发挥TMS320F28335的性能优势。

（2）采用分段PID参数算法。

对于不同分段的速度采用不同的PID参数，使各段性能达到最优，提高调速性能和不同目标速度下的调速效果稳定性。

（3）硬件上采用错误信号硬件保护。

对比起经过错误信号后中断处理错误，硬件直接反应停机对保护电机和功率模块更加有效。

本次设计采用数字逻辑芯片对错误信号进行处理，出现错误信号直接阻断PWM信号的输出，同步处理错误中断，更好地提高保护效果。

6.评测与结论

6.1系统测评及运行情况

本次系统基于DSP28335的永磁同步电机调速系统设计所希望达到的目标是实现电机的宽范围稳定调速，并具有较高的抗干扰性能。

基本的调速目标有以下几点：

1）电机运行速度空载情况下能在-2000rpm~2000rpm之间调节

2）带负载情况下能在-1000rpm~1000rpm之间调节，并能快速稳定。

3）运行电流稳定，并保持较完整的正弦波波形。

以下是本次实验调试的实际数据及过程曲线：

本文的控制对象是为面装式永磁同步电动机，其具体参数如表6.1所示:

表6.1永磁同步伺服电机参数

额定功率

2.2KW

空载电流

1.1A

额定转速

3000rpm

空载输入功率

383W

额定电流

7.014A

U相电阻

1.31Ω

额定转矩

7.52N.m

V相电阻

1.31Ω

驱动器输入电压

三相380V

W相电阻

1.31Ω

实验所用主要设备：

1.DSP控制板（TMS320F28335）；

2.功率驱动变频器2台；

3.永磁同步电机实验平台，包括永磁同步电机、扭矩传感器、负载电机；

4.泰克DPO2014示波器，带三路高压探头，电流钳表和串行总线分析；

5.LABVIEW上位机平台。

实验测量结果及数据采集在CCStudio_v3.3下完成，在交流220V的供电电压下测定（直流母线电压310V）。

系统的调速范围是-2000rpm至+2000rpm，所有数据及曲线均