基于DSP的交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、電機(jī)制造技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流永磁同步電機(jī)交流矢量控制系統(tǒng)以其控制精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。由于受電機(jī)參數(shù)變化、負(fù)載擾動(dòng)等因素的影響，要獲得高性能的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，必須設(shè)計(jì)高精度和高可靠的伺服控制器，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較強(qiáng)的抗干擾能力。因而，文章研究基于DSP的交流永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；伺服控制器；DSP；矢量控制

引言

隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，以永磁同步電動(dòng)機(jī)作為被控對(duì)象的控制系統(tǒng)研究得到了越來越多的關(guān)注，并己成為了當(dāng)前的熱點(diǎn)課題。文章從三相交流永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析其工作原理，建立起簡單的數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)采用TI公司的DSP芯片作為系統(tǒng)控制器和PI作為控制算法，進(jìn)行相應(yīng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 矢量控制的基本原理

經(jīng)典的SPWM控制主要目的是使逆變器輸出電壓盡量接近正弦波。也就是說，希望輸出的PWM電壓波形的基波成分盡量大，諧波成分盡量小。由于電流波形還會(huì)受負(fù)載參數(shù)的影響，而且交流電機(jī)需要輸出三相正弦電流的最終目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，可以將逆變器和電機(jī)視為整體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場的方法來控制PWM信號(hào)，這樣的控制方法叫做“磁鏈跟蹤控制”。由于磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以稱之為“電壓空間矢量控制”。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括以下幾個(gè)部分：DSP控制模塊，IPM模塊，系統(tǒng)的主電源與開關(guān)電源模塊，位置與速度傳感器信號(hào)處理模塊，電流采樣與處理模塊，主電路保護(hù)模塊，故障信號(hào)處理模塊等。硬件整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

由圖1可知，控制部分采用了TI公司生產(chǎn)的TMS320F2407DSP作為處理器。該處理器主要負(fù)責(zé)執(zhí)行系統(tǒng)整體控制策略，處理輸入輸出信號(hào)及產(chǎn)生PWM信號(hào)，此外也負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)RS232、CAN總線及JTA6等接口的通信功能。IPM是系統(tǒng)的主電力驅(qū)動(dòng)模塊，內(nèi)部不僅集成了高性能IGBT開關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)電路，還具有過流、短路、過熱及欠壓等故障信號(hào)的輸出，是完成電機(jī)變頻控制逆變環(huán)節(jié)的電力電子器件；電源部分為系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行供電。系統(tǒng)大體分為控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊三個(gè)部分。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件基礎(chǔ)上根據(jù)交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，是本控制系統(tǒng)中很重要的一部分。只有把硬件和軟件緊密配合、協(xié)調(diào)一致，才能構(gòu)成高性能的應(yīng)用系統(tǒng)。整體程序分為主程序和中斷服務(wù)子程序兩大部分。主程序主要作用是完成系統(tǒng)初始化和相關(guān)參數(shù)變量的賦值，然后進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，當(dāng)中斷信號(hào)到來時(shí)響應(yīng)并執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。

中斷服務(wù)子程序包括PWM中斷服務(wù)子程序和外部中斷保護(hù)子程序。整個(gè)矢量控制系統(tǒng)的主要控制思想：電流檢測反饋、速度和位置采集、速度和電流的PI調(diào)節(jié)、矢量變換以及SVPWM等功能都在PWM中斷服務(wù)子程序中完成。此中斷模式以一定周期循環(huán)執(zhí)行。PWM頻率的選擇要與電機(jī)的機(jī)電常數(shù)相適應(yīng)，文章選擇的PWM頻率為10KHz即采樣周期T為100us。系統(tǒng)軟件的中斷服務(wù)子程序流程框圖如圖2所示。

4 結(jié)束語

文章研究并設(shè)計(jì)了基于DSP的交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，并收到了較好的控制效果。交流永磁同步電機(jī)控制是一個(gè)復(fù)雜的課題，由于學(xué)識(shí)水平、時(shí)間等各方面的限制，與系統(tǒng)特定功能的實(shí)現(xiàn)還有一段距離，有待于在將來的科研實(shí)踐中進(jìn)行進(jìn)一步的研究，在后續(xù)研究中可以采用譬如模糊控制等更為先進(jìn)的控制算法，可以對(duì)硬件選型進(jìn)行優(yōu)化，并優(yōu)化軟件編程。

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作者簡介：劉宇卓（1991-），男，民族（漢族），籍貫：吉林省四平市，工作單位：中南大學(xué)，職務(wù)：學(xué)生，學(xué)位：本科，研究方向：信號(hào)與信息處理、工業(yè)過程控制。