永磁同步電機電驅動教研平臺

林立，劉凡

（1.多電源地區(qū)電網運行與控制湖南省重點實驗室，湖南邵陽，422000；2.邵陽學院 電氣工程學院，湖南邵陽，422000）

0 引言

數(shù)字信號處理器（DSP）具有實時性強、精度高、速度快、可擴展性強、產品線豐富等優(yōu)點。隨著性價比的持續(xù)提高，DSP已廣泛應用于通信、家電、儀表儀器、汽車電子系統(tǒng)、高性能電機控制和工業(yè)控制等領域[1-2]。

在我國教學儀器行業(yè)標準《JY0001-2003 教學儀器產品一般質量要求》中，將教學儀器解釋為：“反映教學理念，主要在教學中使用的器具和裝置”[3]。優(yōu)秀的自制教研裝置為學生開展探究性學習、自主實驗和創(chuàng)新實踐提供了先進手段、開放平臺和優(yōu)質資源，既提高了人才培養(yǎng)質，又給實驗室建設與實驗教學改革注入了新的助力，活力，動力和實力。

經過市場調研發(fā)現(xiàn)，目前國內高?，F(xiàn)有教研裝置大多為模擬電路，存在設備靈活性差、程序固化、通用性不強、可擴展性差、參數(shù)分布性大、測量精度低、可靠性差、維修不便、環(huán)境適應性差、占地面積大、價格昂貴以及實驗效果不理想等問題。目前的永磁同步電機實驗平臺還需要進一步的完善和提高[4]，為此我們自主開發(fā)了一套基于DSP的永磁同步電機電驅動教研平臺。鑒于DSP在電機控制[5-6]中的重要作用，而控制器的性能與控制算法息息相關，必須用實驗進行控制算法的驗證[7]。因此，應制定相關實驗內容，例如永磁同步電機矢量控制實驗。該平臺可滿足高校電氣類、自動化類、信息類和機電類本科高年級專業(yè)相關課程的課程實驗、課程設計、畢業(yè)設計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和教師的科研需要。

1 永磁同步電機電驅動教研平臺

本永磁同步電機電驅動教研平臺通過對三相交流永磁同步電機（以下簡稱永磁同步電機）的控制算法研究，并采用層次化、模塊化的思想進行系統(tǒng)規(guī)劃、設計和數(shù)據(jù)信息管理，使得系統(tǒng)的結構更加開放，進而解決現(xiàn)有系統(tǒng)開放程度較低，通用性較差的問題。設計理念是直接由數(shù)學公式與邏輯關系等建模而自動生成控制代碼。使用虛擬可視化平臺（Μatble/Simulink）對控制算法的原理進行仿真驗證，為了規(guī)避傳統(tǒng)手工編程需重復調試的弊端，利用代碼生成技術將Simulink模型生成C代碼，通過該教研平臺進行半實物仿真，驗證與原模型執(zhí)行效果的一致性。為以后進行各種先進控制算法的研究和實踐提供平臺。

1.1 教研平臺總體結構設計

平臺的核心控制器采用TI公司的TΜS320F28335芯片，該 DSP芯片具備一個能夠支持32 位浮點運算的32位定點數(shù)字信號控制器，其內部具有針對電機調速系統(tǒng)的捕獲、PWΜ、ADC 以及編碼器等模塊，是電機控制系統(tǒng)常用的控制芯片[8]，圖1所示為教研平臺總體結構框圖。

圖1 永磁同步電機電驅動教研平臺總體結構框圖

平臺總體結構釆用模塊化設計，按功能劃分為主電路、驅動電路、檢測電路、控制電路、保護電路等幾個獨立的部分，既可以將強、弱電分開隔離，增加外圍保護電路可提高系統(tǒng)安全性；又有利于模塊移植，提高其可移植性。

1.2 教研平臺的硬件組成

經多次討論修改，教研平臺實物圖如圖2所示。整個教研平臺硬件分為七個部分：①220V開關電源；②15V開關電源；③空氣斷路器；④DSP芯片;⑤仿真器；⑥功率模塊實驗板；⑦保險絲。其中功率模塊實驗板為自主研制，在Altium Designer環(huán)境下繪制電路原理圖和PCB圖，經制板、焊接、調試而成。

主電路為PWΜ電壓型逆變器，與開關電源隔離的電源輸出分別為驅動電路和控制板供電，為保證驅動與控制的相互隔離，采用光電隔離電路于PWΜ信號與驅動信號間，另外檢測交流側的電流和直流母線電壓的部分采用霍爾傳感器來實現(xiàn)?？刂齐娐酚蒁SP最小系統(tǒng)、外設與驅動電路組成。DSP最小系統(tǒng)包括DSP芯片本身、復位電路、晶振和仿真接口；外設包括PWΜ模塊，捕捉模塊，正交編碼模塊，AD采樣模塊及串口通信模塊等控制系統(tǒng)中所必須的所有外設；驅動電路用來控制逆變器開關器件即絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的通斷。得益于這種硬件結構，令平臺在系統(tǒng)控制和檢測方面具有很強的韌性，可適應大多數(shù)電機的各類控制算法。

系統(tǒng)保護電路包括過壓、欠壓保護、限流起動、故障保護、泵升電壓控制等。當電機在制動過程中處于發(fā)電狀態(tài)時，會形成泵升電壓，妨礙運行，使用泄放回路預防這種情況。過壓和欠壓保護是依靠檢測直流母線電壓，并將規(guī)定值比較，以保持電壓穩(wěn)定。限制電流啟動的目的是預防起動時產生的瞬時電流損壞二極管，依靠串聯(lián)一個限流電阻在整流橋和濾波電容之間，在合適的時機短路該電阻保證主電路正常運行。系統(tǒng)內置故障檢測電路，包括過熱、過流和過壓等。系統(tǒng)可以在DSP故障停止輸入端檢測到上述故障信號時進行中斷處理，然后阻斷DSP PWΜ波的輸出。

1.3 教研平臺的軟件設計

平臺的軟件設計由DSP的開發(fā)平臺程序和個人電腦端的監(jiān)控界面組成，利用圖形化編程語言LabVIEW與可視化仿真工具ΜATLAB/simunlink兩部分配合實現(xiàn)。

由于平臺采用模塊化設計，軟件設計的一般流程為：初始化，主循環(huán)程序，中斷。利用串口通信中斷，實現(xiàn)在監(jiān)控界面上顯示在程序循環(huán)中需要觀察的變量值，并且發(fā)送用戶想要輸入的控制給定值。圖3所示為平臺軟件流程。

圖 2 永磁同步電機電驅動教研平臺實物圖

圖3 平臺軟件流程圖

平臺軟件設計各模塊描述如下：

(1)F28335初始化：ev事件中斷、初始化I/O引腳、SCI、AD、系統(tǒng)寄存器、PWΜ中斷等初始化；片上振蕩器與鎖相環(huán)模塊設置。

(2)程序變量初始化：直流母線電壓輸入、電壓矢量電流角頻率、額定角頻率、電壓矢量、電壓矢量電流角、電壓矢量角頻率、額定電壓，切換周期和其他程序變量。

(3)監(jiān)控模塊初始化：串口端、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位、串口緩沖區(qū)等初始化。

(4)主程序是響應其他中斷服務的一個死循環(huán)。

(5)中斷保護模塊：包括中斷優(yōu)先級、中斷向量表的配置，CPU中斷寄存器、外設中段寄存器的讀寫。觸發(fā)保護時，驅動芯片硬件阻止PWΜ輸出，并進入中斷程序、功率模塊實驗板上紅燈報警程序和關機程序。

(6)定時器中斷使用CPU定時器。32位的計數(shù)器從周期寄存器中裝載數(shù)據(jù)，每經過定時器預分頻器的高8位+1個周期，計數(shù)器的值減1。在中斷服務程序中，包括加減速、電流和線電壓的采樣計算，SVPWΜ以及坐標變換的計算過程。

(7)串行口中斷設計功能是與PC機交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)界面顯示和參數(shù)變量在線修改。

其UI界面如圖4所示。其功能為：①可同時顯示六通道波形，并可根據(jù)需求，更改數(shù)據(jù)幅值顯示范圍。②DSP控制板內存變量的在線修改：以實現(xiàn)電機控制的各種給定量的在線設定、電機控制調節(jié)器參數(shù)的調整、電機的運行控制等。

圖4 PC機端監(jiān)控界面

本例采用CCS（Code Composer Studio）軟件進行編程，CCS是一種針對TΜS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境,可在線觀測程序的中間變量，還可隨時修改控制環(huán)節(jié)的參數(shù)，以此設計實驗使學生通過實驗直觀的感受各控制環(huán)節(jié)、各參數(shù)在控制策略中產生的影響，并可供算法研究獲得最優(yōu)算法。

2 在永磁同步電機控制系統(tǒng)開發(fā)中的應用

永磁同步電機調速系統(tǒng)客觀來說屬于高階的、非線性的、強耦合的系統(tǒng)。目前比較常見的高性能的永磁同步電機控制方法是磁場定向控制（FOC），即矢量控制，本例的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)是以轉子磁極位置定向，且勵磁電流分量為零的控制系統(tǒng)。

該平臺已成功地應用于永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)教學和產品開發(fā)項目。以永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)為例驗證該教研平臺的有效性。表1為實驗電機的參數(shù)。圖5為矢量控制策略PWΜ中斷服務函數(shù)，圖6為永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，通過代碼生成功能將其轉化為C代碼程序，運行在CCS軟件開發(fā)平臺下通過該教研平臺控制實驗電機。圖7為教研平臺矢量控制策略下永磁同步電機控制的實驗結果。

表1 永磁同步電機的參數(shù)

圖5 矢量控制策略PWM中斷服務函數(shù)

圖6 永磁同步電機矢量控制仿真模型

圖7 矢量控制策略實驗結果

3 結語

設計開發(fā)了一套基于 TΜS320F28335 的永磁同步電機電驅動教研平臺，該系統(tǒng)可以由淺入深地為學生提供電流采樣、光電編碼器測速、電機啟停、電機調速、模型在環(huán)、軟件在環(huán)、處理器在環(huán)、快速原型開發(fā)、硬件控制器在環(huán)、永磁同步電機矢量控制、永磁同步電機直接轉矩控制等多種類型的實驗，具有較高的開發(fā)度、便攜性、性價比、教學針對性、易上手的特點，方便學生熟悉并掌握DSP和運動控制相關技術，可以在教學實踐中取得較好的應用效果。