基于單DSP控制器的雙磁場(chǎng)定向永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

1、Arefeen MohammedIEEE Senior MemberKedar GodboleMongkol KonghirunIEEE Member摘要：傳統(tǒng)的高性能驅(qū)動(dòng)器利用專用的控制器完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。然而，有一些因素快速的改變了這一情況。目前的DSP控制器與一系列精密的外圍設(shè)備集成在一起，以DSP為核心與一套有效的電力電子外圍設(shè)備的集成，顯著地簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，并且允許設(shè)計(jì)者使用獨(dú)立的DSP控制器實(shí)現(xiàn)高性能驅(qū)動(dòng)器。本文介紹了基于單DSP控制器的雙重永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)。該驅(qū)動(dòng)器利用磁場(chǎng)定向控制實(shí)現(xiàn)更高的性能。DSP控制器利用片上電力電子外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制每個(gè)驅(qū)動(dòng)器而不增加任何多

2、余的芯片組成，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化系統(tǒng)及降低成本。本文還介紹了實(shí)現(xiàn)雙重永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所有需要利用的硬件和軟件模塊。引言磁場(chǎng)定向永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能優(yōu)勢(shì)眾所周知。傳統(tǒng)的控制器提供足夠的帶寬，也提供用來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立高性能驅(qū)動(dòng)器的片上外設(shè)。然而，有一些因素快速的改變了這一情況。目前，先進(jìn)的DSP控制器集成了各種各樣的精密電力電子外圍設(shè)備(如通用定時(shí)器，PWM發(fā)生器，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器等等)。以DSP為核心同一套有用的外圍設(shè)備的集成，不僅簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，而且提供了集成每個(gè)外設(shè)的功能在驅(qū)動(dòng)器中的能力。此外，這些DSP控制器計(jì)算帶寬和電力電子外圍設(shè)備集成電路，只需一個(gè)控制器來(lái)控制多路驅(qū)動(dòng)。本文討論了基于單DSP

3、控制器的雙磁場(chǎng)定向控制永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)方式。這些控制器使用最低限度外部硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)變速驅(qū)動(dòng)器從而在降低整體系統(tǒng)成本同時(shí)提高可靠性，實(shí)現(xiàn)雙三相永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制。本文介紹了該系統(tǒng)軟件和硬件的實(shí)現(xiàn)以及完整實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。系統(tǒng)說(shuō)明盡管有許多種多電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，本文的目標(biāo)是介紹使用單DSP控制器實(shí)現(xiàn)多路高性能驅(qū)動(dòng)器的控制。完整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。每個(gè)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)連接一個(gè)三相電壓源脈寬調(diào)制（PWM）逆變器。一個(gè)DSP控制器(TMS320F2808)用來(lái)控制兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器的逆變器。片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器被用來(lái)對(duì)電機(jī)相電流和逆變器直流母線電壓測(cè)量。通過(guò)DSP控制器上可用的編碼器接口模塊獲得編碼

4、器反饋信號(hào)。DSP控制器的片上電力電子外圍設(shè)備使附加接口較少，簡(jiǎn)化了整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電機(jī)使用傳統(tǒng)的磁場(chǎng)定向算法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制?？刂扑惴ㄍㄟ^(guò)C語(yǔ)言寫在DSP的片內(nèi)存儲(chǔ)器里。圖2是一個(gè)電機(jī)的完整軟件結(jié)構(gòu)圖。通過(guò)圖2可知“軟件模塊”是怎樣與被測(cè)系統(tǒng)變量比如相位、電流、直流母線電壓、編碼器反饋等相連接的。雙重驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)為第二個(gè)電機(jī)執(zhí)行一個(gè)同樣的如圖2所示的軟件系統(tǒng)。圖1 雙重驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2 一個(gè)電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制整體結(jié)構(gòu)圖DSP控制器一個(gè)定點(diǎn)32位DSP控制器被用來(lái)實(shí)現(xiàn)雙重驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。被選用的DSP控制器TMS320F2808具有100MIPS的運(yùn)算速度，是32位定點(diǎn)DSP核心。該設(shè)備提供64K字長(zhǎng)的

5、內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器，18K字長(zhǎng)的片上RAM。它還集成了以下電力電子外圍設(shè)備：來(lái)自具有多個(gè)16位多模式時(shí)鐘周期的PWM模塊的16位PWM輸出，16路12位精度的具有實(shí)時(shí)采樣和保持能力的ADC，四路捕獲引腳，兩路正交編碼脈沖(QEP)接口，SCI，SPI，CAN，I2C，看門狗等。圖3展示了TMS320F2808 控制器的結(jié)構(gòu)框圖。該雙重驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用了12路PWM輸出，6路模擬到數(shù)字輸入通道，二路QEP端口，以及為系統(tǒng)調(diào)試和仿真用的JTAG端口。電壓，為I/O緩沖器提供3.3V電壓。該設(shè)備有多種封裝，但是這個(gè)應(yīng)用中使用了一個(gè)具有DSP開(kāi)發(fā)工具包的100引腳的TQFP封裝。圖3 TMS320F280

6、8結(jié)構(gòu)圖硬件裝配該逆變器利用六個(gè)PWM輸出來(lái)產(chǎn)生必須的PWM信號(hào)給一個(gè)三相電壓源逆變器。電壓輸出使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)空間矢量法產(chǎn)生PWM波。PWM通道的逆變器工作在20kHz頻率，PWM模塊的比較值在每一個(gè)PWM周期更新。三個(gè)板塊的組合形成了完整的系統(tǒng)。一個(gè)DSP開(kāi)發(fā)板(TMS320F2808eZDSP)用作為主控制器平臺(tái)。該DSP開(kāi)發(fā)板有兩個(gè)獨(dú)立的三相逆變器接口。這些逆變器板(DMC550)可用作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，提供所有系統(tǒng)開(kāi)發(fā)必須的調(diào)試特性。圖4展示了DMC550平臺(tái)，該平臺(tái)提供下列功能：具有2.5Amp驅(qū)動(dòng)能力的+24V DC總線，3個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器輸入，3個(gè)相電壓和電流傳感輸入，一個(gè)總線電壓傳感

7、輸入和若干電流故障判別。兩塊DMC550 電路板平行地和一個(gè)DSP電路板連接，以此來(lái)得到雙重驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。永磁電機(jī)取自Applied Motion (part #A0100-103-3-000)。這是一個(gè)三相永磁同步電機(jī)，反電動(dòng)勢(shì)為正弦曲線的，有8個(gè)電極和一個(gè)2k線編碼器。片上QEP接口被用來(lái)連接電機(jī)編碼器和DSP控制器。圖5展示了兩個(gè)電機(jī)、兩個(gè)逆變器和一個(gè)單DSP板的完整硬件裝配圖。圖4 三相電壓源逆變器（DMC550）圖5 完整的硬件實(shí)驗(yàn)裝配軟件說(shuō)明圖2說(shuō)明了一個(gè)電機(jī)的完整軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。第二個(gè)驅(qū)動(dòng)器重復(fù)使用同樣的結(jié)構(gòu)。為了以后的擴(kuò)展，軟件用C語(yǔ)言編寫。整個(gè)應(yīng)用軟件由兩個(gè)中斷服務(wù)程序（ISR）

8、驅(qū)動(dòng)。主程序（即后臺(tái)循環(huán)）僅僅由TMS320F2808外圍設(shè)備 (例如：鎖相環(huán)，看門狗，中斷控制和事件管理器) 初始化程序組成。剩余程序由PWM_ISR子程序占據(jù)。這些中斷服務(wù)程序在每個(gè)PWM循環(huán)(20kHz)的獨(dú)立電機(jī)系統(tǒng)的時(shí)基中斷發(fā)生時(shí)被調(diào)用。兩臺(tái)三相永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的獨(dú)立控制需要兩套磁場(chǎng)定向控制算法的執(zhí)行。每個(gè)電機(jī)的所有計(jì)算必須在逐周期工作方式下的每個(gè)PWM循環(huán)周期內(nèi)完成。第一個(gè)電機(jī)的軟件細(xì)節(jié)描述在下文給出。第二個(gè)電機(jī)重復(fù)同一程序。然而，在后面的小節(jié)中將描述第二個(gè)電機(jī)使用的不同的PWM通道。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器使用了下面的主要軟件模塊：PARK，I_PARK，CLARK，SVPWM（也實(shí)現(xiàn)I_C

9、LARK和驅(qū)動(dòng)逆變器的空間矢量PWM輸出），QEP驅(qū)動(dòng)程序，ADC驅(qū)動(dòng)程序和三個(gè)PID模塊。每個(gè)模塊的輸入和輸出經(jīng)過(guò)很好的定義以便在不同的系統(tǒng)中重復(fù)使用。所有的計(jì)算使用定點(diǎn)數(shù)完成以減少M(fèi)IPS的需求。一個(gè)被稱為IQMATH的專用的定點(diǎn)數(shù)學(xué)方法被用來(lái)利用DSP的硬件架構(gòu)和“C語(yǔ)言”編譯器。采用的IQMATH顯著地減少總的循環(huán)計(jì)數(shù)而不減少精確性。例如，下面的實(shí)現(xiàn)Y=mX+B可以在C語(yǔ)言中使用IQMATH寫成：Y = _IQmpy (M, X) + B；上述“C語(yǔ)言”的表述會(huì)引起編譯程序采取只有七個(gè)DSP的周期產(chǎn)生下面的匯編代碼。MOVL XT,MIMPYL P,XT,X ; P = low 32-

10、bits of M*XQMPYL ACC,XT,X ; ACC = high 32-bits of M*XLSL64 ACC:P,#(32-Q) ; ACC = ACC:P << 32-Q; (same as P = ACC:P >> Q)ADDL ACC,B ; Add BMOVL Y,ACC ; Result = Y = _IQmpy(M*X) + B; 7個(gè)周期類似的代碼優(yōu)化通過(guò)系統(tǒng)被執(zhí)行以保持整體MIPS需求的最小化，以便多重驅(qū)動(dòng)器算法能被無(wú)任何帶寬約束地執(zhí)行。所有軟件模塊定義被創(chuàng)建為一個(gè)種數(shù)據(jù)類型。這使之有可能成為一個(gè)到任何特定軟件模塊的接口的范例。為實(shí)施雙重

11、驅(qū)動(dòng)所有要求的模塊通過(guò)簡(jiǎn)單地聲明適當(dāng)數(shù)據(jù)類型被舉例兩次。例如，為了創(chuàng)建CLARKE模塊定義了一個(gè)數(shù)據(jù)類型，為實(shí)現(xiàn)雙重驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這個(gè)模塊作為兩個(gè)CLARKE對(duì)象使用了兩次：CLARKE clarke1, clarke2初始化CLARKE對(duì)象實(shí)例為：CLARKE clarke1 = CLARKE_DEFAULTS;CLARKE clarke2 = CLARKE_DEFAULTS;下面部分提供了幾個(gè)重要的軟件模塊的描述。正交編碼脈沖（QEP）驅(qū)動(dòng)程序這個(gè)模塊計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，也從電機(jī)編碼器脈沖確定旋轉(zhuǎn)方向。這個(gè)模塊采用了三路信號(hào)輸入：通道A、通道B、標(biāo)志位（Index），產(chǎn)生電流相角、機(jī)械轉(zhuǎn)角、方向信息

12、、和一個(gè)指示Index同步事件的標(biāo)志位。為了隨時(shí)確定轉(zhuǎn)子位置，讀取了QEP的時(shí)基（專用32位計(jì)數(shù)器）。該計(jì)數(shù)器數(shù)值可以基于360度機(jī)械旋轉(zhuǎn)可以提供8000個(gè)時(shí)鐘脈沖（有4次轉(zhuǎn)換的2000線編碼器可以產(chǎn)生8000個(gè)時(shí)鐘脈沖）的實(shí)際而利用。正交控制空間矢量發(fā)生器(SVGEN_DQ)這個(gè)模塊使用空間矢量PWM技術(shù)計(jì)算所需的合適的占空比來(lái)產(chǎn)生一個(gè)特定的定子參考電壓。這個(gè)模塊有效地將反Clarke函數(shù)功能和逆變器的PWM生成結(jié)合在一起。這個(gè)模塊的輸出直接更新了DSP的PWM模塊的比較寄存器。與其它模塊類似，SVGEN_DQ模塊也為了支持雙重驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)使用了兩次。雙線電流測(cè)量ADC(ILEG2_DRV)這

13、個(gè)軟件模塊提供兩個(gè)具有可編程的偏移量和增益的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換通道。模擬轉(zhuǎn)換是同各自的PWM模塊同步的，以事件時(shí)基計(jì)數(shù)器等于零時(shí)作為開(kāi)始。DSP控制器的片上ADC模塊接受單端模擬輸入，因此電流的全部范圍的測(cè)量要求具有外部增益電路用來(lái)給模擬信號(hào)設(shè)定偏移與增益的校正電平。該ADC模塊具有12位分辨率，轉(zhuǎn)換結(jié)果以左端對(duì)齊方式保存在16位的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中。這使得這個(gè)ADC輸出值的范圍是0000h到FFF0h。圖6說(shuō)明了為表示雙極性電流測(cè)量方式所需的轉(zhuǎn)換數(shù)值。圖6 相電流測(cè)量值的Q15轉(zhuǎn)換Park變量變換(PARK)這個(gè)變換將在對(duì)稱的兩相靜止坐標(biāo)系中的矢量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。這個(gè)模塊采用了CLARKE

14、模塊的輸出和QEP模塊的角度輸出來(lái)執(zhí)行要求的轉(zhuǎn)換。圖7說(shuō)明了該矢量變換。圖 7 PARK模塊內(nèi)的矢量變換Clarke變量變換(CLARKE)這個(gè)模塊將對(duì)稱的三相分量轉(zhuǎn)換為對(duì)稱的兩相正交分量。被測(cè)量的兩相電流作為這個(gè)模塊的輸入部分被饋送。這個(gè)模塊接收Q15格式，也輸出正弦Q15格式。以來(lái)自QEP模塊的轉(zhuǎn)子角度為基礎(chǔ)的速度計(jì)算器(SPEED_FRQ)這個(gè)模塊依據(jù)從QEP傳感器得到的轉(zhuǎn)子位置測(cè)量值來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了避免過(guò)渡中斷(0到360為順時(shí)針?lè)较颍?60到0為逆時(shí)針?lè)较?速度微分器被限制在一定的轉(zhuǎn)子角度范圍內(nèi)。這個(gè)范圍限制不僅明顯地減少了轉(zhuǎn)子速度信息，而且顯著地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，一個(gè)低

15、通濾波器被用來(lái)減少由一個(gè)純微分器產(chǎn)生的放大噪音。一個(gè)簡(jiǎn)單一階低通濾波器提供了系統(tǒng)的一個(gè)可觀測(cè)到的速度穩(wěn)定性。具有抗積分飽和的數(shù)字PID控制器(PID_REG3)這個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)32位的具有抗積分飽和更正功能的數(shù)字PID控制器。這個(gè)模塊同樣可以用作PI或者PD控制器。這個(gè)模塊利用后向差分近似法。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器使用三次這個(gè)PID模塊，因此這個(gè)雙重驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用這個(gè)PID模塊六次。圖2所示的系統(tǒng)被獨(dú)立地重復(fù)使用以用來(lái)控制第二個(gè)驅(qū)動(dòng)器。下面的表格說(shuō)明了每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的各個(gè)軟件模塊的存儲(chǔ)器空間需求。執(zhí)行雙重算法利用了TMS320F2808的所有可用的64kW的flash和18kW的RAM存儲(chǔ)器中的大約4kW的程

16、序空間和0.5kW的數(shù)據(jù)空間。表1 不同軟件模塊存儲(chǔ)空間要求模塊程序（W）數(shù)據(jù)（W）PID_REG38534SPEED_FR10420QEP_DRV15017PID_REG3(IQ)8534PID_REG3(ID)8534PARK4512CLARKE2310I_PARK4512SVGEN_DQ25612ILEG2_DRV12612RAMP_GEN5714RAMP_CNTL5516FC_PWM_DRV2579實(shí)驗(yàn)結(jié)果一個(gè)雙重驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示那樣實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)分階段完成，這樣可以顯著地減少最終的系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程。這個(gè)漸增的開(kāi)發(fā)過(guò)程一次測(cè)試很少的幾個(gè)軟件模塊，并且只有在當(dāng)前階段完成后才進(jìn)入后續(xù)的開(kāi)發(fā)

17、階段。圖8說(shuō)明了第一個(gè)開(kāi)發(fā)階段測(cè)試初始軟件模塊。在這個(gè)開(kāi)發(fā)中測(cè)試了像SVGEN, FC_PWM_DRV等初始模塊。逐步地增加了所有必需的軟件模塊后，完整的系統(tǒng)就建成了，最終建成結(jié)果如圖2所示。圖8 測(cè)試一個(gè)在建系統(tǒng)的初始模塊每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的獨(dú)立控制被實(shí)現(xiàn)?？偟腗PIS需求量很好的低于來(lái)自控制器的可用的100MIPS，這在使用同樣的設(shè)備時(shí)提供了額外的帶寬更好地完成積分函數(shù)運(yùn)算。圖9展示了給電機(jī)的生成電壓。圖10展示了一個(gè)電機(jī)的被測(cè)量的相電流。圖11說(shuō)明了一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和相電流的關(guān)系。圖9 為雙重驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生成的線電壓圖10 生成的電機(jī)相電壓（相電壓）和重建電機(jī)相電流（低跡線）圖11 第一個(gè)電機(jī)的編

18、碼器反饋與A相電流測(cè)量值的關(guān)系（低跡線）總結(jié)這篇論文的目的是說(shuō)明一個(gè)單獨(dú)的DSP控制器可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)使用如磁場(chǎng)定向控制這樣的高級(jí)算法的雙重高性能的驅(qū)動(dòng)器。這篇論文闡述了高效率地實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙重驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的硬件裝配和軟件策略。完整的系統(tǒng)程序使用模塊化的方式用C語(yǔ)言編寫，可以靈活地用于以后的系統(tǒng)集成。參考文獻(xiàn)1. A M Trzynadlowski, “The field orientation principle in control ofinduction motors” Kluwer Academic Publishers, 1994.A M Trzynadlowski, “異步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制原則” Kluwer Academic Publishers, 1994. 2. W Shireen, M S Arefeen and D Figoli, “Mul