林立，呂金培，林敏之

（1．多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽(yáng) 422000；2．邵陽(yáng)學(xué)院電氣工程學(xué)院，湖南 邵陽(yáng) 422000；3．邵陽(yáng)資水科技有限公司，湖南 邵陽(yáng) 422000）

隨著電力電子技術(shù)和稀土永磁材料的發(fā)展，永磁同步電機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用受到了高度重視，對(duì)其控制策略的研究也成為關(guān)注的重點(diǎn)[1]，永磁同步電機(jī)因其具有體積小、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低等優(yōu)越性能逐漸在工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域和日常生活中成為主流[2]。數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processing，DSP）具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)以TMS320F28335 DSP核心板為核心，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了整流、隔離驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、通信等硬件模塊，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在科研過(guò)程中取得了良好的效果，為相關(guān)專(zhuān)業(yè)及科研人員提供了專(zhuān)業(yè)實(shí)踐平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與功能

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)、控制器、傳感器和主電路四個(gè)部分組成。上位機(jī)通過(guò)CH430轉(zhuǎn)換芯片將USB轉(zhuǎn)串口，實(shí)現(xiàn)與控制器的通訊；控制器采用TMS320F28335 DSP，本實(shí)驗(yàn)所使用到控制器外設(shè)主要有SCI串口通訊模塊、ePWM脈沖發(fā)生模塊、QEP光電編碼器解碼模塊、AD模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。傳感器使用到了增量式光電編碼器，其中電流傳感器采集A、B兩相電流信號(hào)經(jīng)DSP28335的AD模塊輸入控制器內(nèi)。主電路中主要包括直流電源，逆變器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)三部分。

圖1 硬件連接圖

1．1 上位機(jī)

上位機(jī)負(fù)責(zé)利用代碼生成技術(shù)編寫(xiě)模塊化程序，并利用串口與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通訊，通過(guò)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線(xiàn)觀(guān)測(cè)與實(shí)時(shí)控制。

1．2 控制器

本平臺(tái)的核心控制器采用TMS320F28335芯片，該DSP芯片具備一個(gè)能夠支持32位浮點(diǎn)運(yùn)算的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器，與以往的定點(diǎn)DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，A／D轉(zhuǎn)換更精確快速[4]。它采用內(nèi)部1．9V供電，外部3．3V供電，且主頻高達(dá)150MHz。DSP適用于電機(jī)控制的ePWM、eCAN、ADC、SCI和SPI等外設(shè)完成各自的功能與任務(wù)。

1．3 主電路

主電路中主要包括直流電源，逆變器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)三部分。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)由永磁同步電機(jī)及負(fù)載電機(jī)組成，永磁同步電機(jī)參數(shù)如表1所示。負(fù)載電機(jī)及聯(lián)軸器模塊如圖2所示。直流電機(jī)通過(guò)單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行控制，通過(guò)PWM占空比調(diào)速的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載直流電機(jī)扭矩的控制。

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)

圖2 永磁電機(jī)與負(fù)載模塊連接示意圖

聯(lián)軸器采用梅花聯(lián)軸器，兩側(cè)軸徑分別為8mm和14mm，分別連接直流電機(jī)輸出軸及永磁電機(jī)輸出軸，這樣通過(guò)永磁電機(jī)——聯(lián)軸器——直流電機(jī)相連的方式為永磁電機(jī)提供帶負(fù)載模塊。

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中整流濾波電路可接220V市電直接進(jìn)行操作，但考慮到實(shí)驗(yàn)的安全性、可靠性及電源質(zhì)量，故選擇外接直流電源供電。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件電路設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制功能全部由軟件實(shí)現(xiàn)。硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括：DSP最小系統(tǒng)、整流濾波電路、逆變驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速位置檢測(cè)電路等。

2．1 DSP最小系統(tǒng)

DSP最小系統(tǒng)就是能夠保證DSP可以正常工作的最少硬件構(gòu)成。一個(gè)DSP最小系統(tǒng)包括DSP芯片本身、復(fù)位電路，時(shí)鐘電路、電源變換電路、JTAG仿真接口等[5]；對(duì)于TMS320F28335 DSP，其具有片上Flash，0TPROM及SARAM存儲(chǔ)器在設(shè)計(jì)最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)無(wú)需考慮外部存儲(chǔ)器接口問(wèn)題。

2．2 整流濾波電路

整流電路可分為不可控整流和可控整流，整流電路的主要作用是對(duì)交流進(jìn)電進(jìn)行整流，經(jīng)濾波電路濾波后得到的直流電提供給控制電路和逆變器。本系統(tǒng)采用單相不可控橋式整流，其具有較大的紋波，所以需要選用較大幅值的濾波電容。濾波電容的功能主要有兩點(diǎn)：一是過(guò)濾電壓紋波，二是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓保持平穩(wěn)。加入濾波電路對(duì)整流電路輸出進(jìn)行濾波以保證能夠得到較高質(zhì)量的直流電流和電壓提供給控制電源和逆變電路。

2．3 逆變驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)器采用IR2110S芯片。IR2110S芯片通過(guò)控制6個(gè)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的。

2．4 電流檢測(cè)電路

由于電機(jī)繞組是對(duì)稱(chēng)的，所以只需通過(guò)霍爾電流傳感器檢測(cè)U、V兩相電流?；魻栯娏鱾鞲衅鳈z測(cè)到的電流經(jīng)過(guò)比例放大，送到DSP的ADC引腳進(jìn)行采樣，以數(shù)字量代替模擬量，將其轉(zhuǎn)換為U相與V相可檢測(cè)的電壓信號(hào)，同時(shí)為了防止輸入模擬電壓過(guò)高或過(guò)低以及消除電流反饋信號(hào)中的噪聲信號(hào)，還需要加入模擬輸入量的濾波和限幅環(huán)節(jié)。

2．5 轉(zhuǎn)速和位置檢測(cè)電路

采用M法測(cè)速，由于作為被控對(duì)象的永磁同步電機(jī)自帶增量式編碼器，其輸出A、B、Z、U、V、W 6路差分信號(hào)，加上2路電源共14條線(xiàn)，取A、B、Z 3路差分信號(hào)及2路電源通過(guò)YXQJ－5VBMQ編碼器轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為QEP正交編碼器A、B、I、5V電源及地，5根線(xiàn)接入DSP的QEP相應(yīng)接口。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)由DSP主程序和上位機(jī)監(jiān)控界面程序組成。

3．1 DSP主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖3所示。主程序先進(jìn)行初始化，初始化包括看門(mén)狗電路的設(shè)置，CPU級(jí)中斷屏蔽寄存器的設(shè)置；然后關(guān)總中斷；接著進(jìn)行PIE控制寄存器、PIE矢量表、GPIO寄存器、SCIB寄存器、事件管理器EV的初始化；設(shè)置CPU定時(shí)器；在完成所有的初始化工作后，完成中斷服務(wù)入口地址的設(shè)置后開(kāi)總中斷，等待循環(huán)。

圖3 主程序流程圖

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主程序如圖4所示。DSP主程序通過(guò)代碼生成功能將其轉(zhuǎn)化為C代碼程序，運(yùn)行在CCS軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)下通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制實(shí)驗(yàn)電機(jī)。控制程序由中斷向量表、PWM中斷服務(wù)函數(shù)、QEP中斷服務(wù)函數(shù)、串口接收模塊和串口發(fā)送模塊組成，其中中斷服務(wù)程序是本程序中最主要的子程序，轉(zhuǎn)速閉環(huán)程序與電流采集程序在PWM中斷服務(wù)函數(shù)中，并經(jīng)一系列計(jì)算后由ePWM模塊發(fā)出脈沖，轉(zhuǎn)速采集程序在QEP中斷服務(wù)函數(shù)中。

圖4 DSP控制程序

PWM中斷服務(wù)函數(shù)中，ADC模塊采集電流傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字量轉(zhuǎn)化程序，輸出實(shí)際的三相電流，三相電流經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流，計(jì)算得出磁鏈和轉(zhuǎn)矩送往相應(yīng)調(diào)節(jié)器進(jìn)行內(nèi)環(huán)控制，轉(zhuǎn)速外環(huán)通過(guò)采集轉(zhuǎn)速進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后輸出給定轉(zhuǎn)矩。然后進(jìn)行SVPWM控制，得到三路調(diào)制波變量送往PWM模塊，PWM設(shè)置成死區(qū)互補(bǔ)輸出，從而完成六路開(kāi)關(guān)信號(hào)的生成。

QEP中斷服務(wù)函數(shù)中，eQEP模塊為DSP28335的轉(zhuǎn)速采集模塊，該程序原理是采用單位時(shí)間內(nèi)收集脈沖個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的上位機(jī)監(jiān)控界面程序采用LabVIEW設(shè)計(jì)，其功能為建立上、下位機(jī)的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。串行口中斷設(shè)計(jì)功能是與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)界面顯示和參數(shù)變量在線(xiàn)修改。

其監(jiān)控界面如圖5所示。上位機(jī)界面主要由通訊設(shè)置、參數(shù)調(diào)節(jié)、啟停開(kāi)關(guān)、波形顯示等四部分組成。其功能為可同時(shí)顯示六通道波形，可以用波形圖表的形式動(dòng)態(tài)顯示采取的數(shù)據(jù)，包含了轉(zhuǎn)速采樣、相電流采樣等。并可根據(jù)需求，更改數(shù)據(jù)幅值顯示范圍。DSP控制板內(nèi)存變量的在線(xiàn)修改：以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的各種給定量的在線(xiàn)設(shè)定、電機(jī)控制調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整、電機(jī)的運(yùn)行控制等。

圖5 PC機(jī)端監(jiān)控界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證開(kāi)發(fā)平臺(tái)的實(shí)用性，在開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略研究，試驗(yàn)條件和參數(shù)設(shè)置情況都和仿真保持一致。將永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)代碼生成功能將其轉(zhuǎn)化為C代碼程序，運(yùn)行在CCS軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)下通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制實(shí)驗(yàn)電機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明本硬件電路設(shè)計(jì)能夠較好地滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。

圖6 直接轉(zhuǎn)矩控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以TMS320F28335為控制器的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用基于TMS320F28335 DSP和MATLAB的快速控制原型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，可以直接在MATLAB/Simulink上進(jìn)行控制算法的設(shè)計(jì)和研究，然后自動(dòng)生成控制代碼來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以提供電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、電流采樣、光電編碼器測(cè)速、快速原型開(kāi)發(fā)、驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)等多種類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)，具有較高的開(kāi)發(fā)性、多功能性、易于連線(xiàn)和調(diào)試等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有良好的可擴(kuò)展性，對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的科研探索有很好的借鑒意義。