基于单DSP控制器的双磁场定向永磁同步电机驱动器的设计设计.doc

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1、基于单DSP的双重磁场定向控制的永磁同步电机驱动器 摘要：传统的高性能驱动器利用专用的控制器完成复杂的数学运算。然而，有一些因素快速的改变了这一情况。目前的DSP控制器与一系列精密的外围设备集成在一起，以DSP为核心与一套有效的电力电子外围设备的集成，显著地简化了驱动器设计，并且允许设计者使用独立的DSP控制器实现高性能驱动器。本文介绍了基于单DSP控制器的双重永磁同步电机驱动器的实现。该驱动器利用磁场定向控制实现更高的性能。DSP控制器利用片上电力电子外围设备实现独立控制每个驱动器而不增加任何多余的芯片组成，以此来实现简化系统及降低成本。本文还介绍了实现双重永磁同步电机驱动器所有需要利用的硬

2、件和软件模块。引言磁场定向永磁同步电机驱动器的性能优势众所周知。传统的控制器提供足够的带宽，也提供用来实现独立高性能驱动器的片上外设。然而，有一些因素快速的改变了这一情况。目前，先进的DSP控制器集成了各种各样的精密电力电子外围设备(如通用定时器，PWM发生器，模拟到数字转换器等等)。以DSP为核心同一套有用的外围设备的集成，不仅简化设计过程，而且提供了集成每个外设的功能在驱动器中的能力。此外，这些DSP控制器计算带宽和电力电子外围设备集成电路，只需一个控制器来控制多路驱动。本文讨论了基于单DSP控制器的双磁场定向控制永磁同步电机驱动器的实现方式。这些控制器使用最低限度外部硬件来实现变速驱动器

3、从而在降低整体系统成本同时提高可靠性，实现双三相永磁同步电机磁场定向控制。本文介绍了该系统软件和硬件的实现以及完整实验结果分析。系统说明尽管有许多种多电机系统的实现方式，本文的目标是介绍使用单DSP控制器实现多路高性能驱动器的控制。完整系统结构图如图1所示。每个三相永磁同步电动机连接一个三相电压源脉宽调制（PWM）逆变器。一个DSP控制器(TMS320F2808)用来控制两个独立驱动器的逆变器。片上模数转换器被用来对电机相电流和逆变器直流母线电压测量。通过DSP控制器上可用的编码器接口模块获得编码器反馈信号。DSP控制器的片上电力电子外围设备使附加接口较少，简化了整体系统设计。电机使用传统的磁

4、场定向算法实现独立控制。控制算法通过C语言写在DSP的片内存储器里。图2是一个电机的完整软件结构图。通过图2可知 “软件模块”是怎样与被测系统变量比如相位、电流、直流母线电压、编码器反馈等相连接的。双重驱动器系统为第二个电机执行一个同样的如图2所示的软件系统。图1 双重驱动器系统结构图图2 一个电机的磁场定向控制整体结构图DSP控制器一个定点32位DSP控制器被用来实现双重驱动系统。被选用的DSP控制器TMS320F2808具有100 MIPS的运算速度，是32位定点DSP核心。该设备提供64K字长的内部Flash存储器，18K字长的片上RAM。它还集成了以下电力电子外围设备：来自具有多个16

5、位多模式时钟周期的PWM模块的16位PWM输出，16路12位精度的具有实时采样和保持能力的ADC，四路捕获引脚，两路正交编码脉冲(QEP)接口，SCI，SPI， CAN， I2C，看门狗等。图3展示了TMS320F2808 控制器的结构框图。该双重驱动系统用了12路PWM输出，6路模拟到数字输入通道，二路QEP端口，以及为系统调试和仿真用的JTAG端口。该控制器是一个双重供电设备，需要为DSP核心提供1.8V电压，为I/O缓冲器提供3.3V电压。该设备有多种封装，但是这个应用中使用了一个具有DSP开发工具包的100引脚的TQFP封装。图3 TMS320F2808结构图硬件装配该逆变器利用六个P

6、WM输出来产生必须的PWM信号给一个三相电压源逆变器。电压输出使用一个标准空间矢量法产生PWM波。PWM通道的逆变器工作在20kHz频率，PWM模块的比较值在每一个PWM周期更新。三个板块的组合形成了完整的系统。一个DSP开发板(TMS320F2808eZDSP)用作为主控制器平台。该DSP开发板有两个独立的三相逆变器接口。这些逆变器板(DMC550)可用作系统开发平台，提供所有系统开发必须的调试特性。图4展示了DMC550平台，该平台提供下列功能：具有2.5Amp驱动能力的+24V DC总线，3个霍尔效应传感器输入，3个相电压和电流传感输入，一个总线电压传感输入和若干电流故障判别。两块DMC

7、550 电路板平行地和一个DSP电路板连接，以此来得到双重驱动系统。永磁电机取自Applied Motion (part #A0100-103-3-000)。这是一个三相永磁同步电机，反电动势为正弦曲线的，有8个电极和一个2k线编码器。片上QEP接口被用来连接电机编码器和DSP控制器。图5展示了两个电机、两个逆变器和一个单DSP板的完整硬件装配图。图4 三相电压源逆变器（DMC550）图5 完整的硬件实验装配软件说明图2说明了一个电机的完整软件系统结构图。第二个驱动器重复使用同样的结构。为了以后的扩展，软件用C语言编写。整个应用软件由两个中断服务程序（ISR）驱动。主程序（即后台循环）仅仅由T

8、MS320F2808外围设备 (例如：锁相环，看门狗，中断控制和事件管理器) 初始化程序组成。剩余程序由PWM_ISR子程序占据。这些中断服务程序在每个PWM循环(20kHz)的独立电机系统的时基中断发生时被调用。两台三相永磁同步电机驱动器的独立控制需要两套磁场定向控制算法的执行。每个电机的所有计算必须在逐周期工作方式下的每个PWM循环周期内完成。第一个电机的软件细节描述在下文给出。第二个电机重复同一程序。然而，在后面的小节中将描述第二个电机使用的不同的PWM通道。每个驱动器使用了下面的主要软件模块：PARK，I_PARK，CLARK，SVPWM（也实现I_CLARK和驱动逆变器的空间矢量PW

9、M输出），QEP驱动程序，ADC驱动程序和三个PID模块。每个模块的输入和输出经过很好的定义以便在不同的系统中重复使用。所有的计算使用定点数完成以减少MIPS的需求。一个被称为IQMATH的专用的定点数学方法被用来利用DSP的硬件架构和“C语言”编译器。采用的IQMATH显著地减少总的循环计数而不减少精确性。例如，下面的实现Y = m X + B可以在C语言中使用IQMATH写成：Y = _IQmpy (M, X) + B；上述“C语言”的表述会引起编译程序采取只有七个DSP的周期产生下面的汇编代码。MOVL XT,MIMPYL P,XT,X ; P = low 32-bits of M*XQ

10、MPYL ACC,XT,X ; ACC = high 32-bits of M*XLSL64 ACC:P,#(32-Q) ; ACC = ACC:P Q)ADDL ACC,B ; Add BMOVL Y,ACC ; Result = Y = _IQmpy(M*X) + B; 7个周期类似的代码优化通过系统被执行以保持整体MIPS需求的最小化，以便多重驱动器算法能被无任何带宽约束地执行。所有软件模块定义被创建为一个种数据类型。这使之有可能成为一个到任何特定软件模块的接口的范例。为实施双重驱动所有要求的模块通过简单地声明适当数据类型被举例两次。例如，为了创建CLARKE模块定义了一个数据类型，为实

11、现双重驱动系统，这个模块作为两个CLARKE对象使用了两次：CLARKE clarke1, clarke2初始化CLARKE对象实例为：CLARKE clarke1 = CLARKE_DEFAULTS;CLARKE clarke2 = CLARKE_DEFAULTS;下面部分提供了几个重要的软件模块的描述。正交编码脉冲（QEP）驱动程序这个模块计算转子位置，也从电机编码器脉冲确定旋转方向。这个模块采用了三路信号输入：通道A、通道B、标志位（Index），产生电流相角、机械转角、方向信息、和一个指示Index同步事件的标志位。为了随时确定转子位置，读取了QEP的时基（专用32位计数器）。该计数器

12、数值可以基于360度机械旋转可以提供8000个时钟脉冲（有4次转换的2000线编码器可以产生8000个时钟脉冲）的实际而利用。正交控制空间矢量发生器(SVGEN_DQ)这个模块使用空间矢量PWM技术计算所需的合适的占空比来产生一个特定的定子参考电压。这个模块有效地将反Clarke函数功能和逆变器的PWM生成结合在一起。这个模块的输出直接更新了DSP的PWM模块的比较寄存器。与其它模块类似，SVGEN_DQ模块也为了支持双重驱动器系统使用了两次。双线电流测量ADC(ILEG2_DRV)这个软件模块提供两个具有可编程的偏移量和增益的模拟到数字转换通道。模拟转换是同各自的PWM模块同步的，以事件时基

13、计数器等于零时作为开始。DSP控制器的片上ADC模块接受单端模拟输入，因此电流的全部范围的测量要求具有外部增益电路用来给模拟信号设定偏移与增益的校正电平。该ADC模块具有12位分辨率，转换结果以左端对齐方式保存在16位的AD转换结果寄存器中。这使得这个ADC输出值的范围是0000h到FFF0h。图6说明了为表示双极性电流测量方式所需的转换数值。图6 相电流测量值的Q15转换Park变量变换(PARK)这个变换将在对称的两相静止坐标系中的矢量转换到旋转坐标系中。这个模块采用了CLARKE模块的输出和QEP模块的角度输出来执行要求的转换。图7说明了该矢量变换。图 7 PARK模块内的矢量变换Cla

14、rke变量变换(CLARKE)这个模块将对称的三相分量转换为对称的两相正交分量。被测量的两相电流作为这个模块的输入部分被馈送。这个模块接收Q15格式，也输出正弦Q15格式。以来自QEP模块的转子角度为基础的速度计算器(SPEED_FRQ)这个模块依据从QEP传感器得到的转子位置测量值来计算电机转速。为了避免过渡中断(0到360为顺时针方向，360到0为逆时针方向)速度微分器被限制在一定的转子角度范围内。这个范围限制不仅明显地减少了转子速度信息，而且显著地提高了系统的稳定性。此外，一个低通滤波器被用来减少由一个纯微分器产生的放大噪音。一个简单一阶低通滤波器提供了系统的一个可观测到的速度稳定性。具

15、有抗积分饱和的数字PID控制器(PID_REG3)这个模块实现了一个32位的具有抗积分饱和更正功能的数字PID控制器。这个模块同样可以用作PI或者PD控制器。这个模块利用后向差分近似法。每个驱动器使用三次这个PID模块，因此这个双重驱动系统使用这个PID模块六次。图2所示的系统被独立地重复使用以用来控制第二个驱动器。下面的表格说明了每个驱动器的各个软件模块的存储器空间需求。执行双重算法利用了TMS320F2808的所有可用的64kW的flash和18kW的RAM存储器中的大约4kW的程序空间和0.5kW的数据空间。表1 不同软件模块存储空间要求模块程序（W）数据（W）PID_REG38534S

16、PEED_FR10420QEP_DRV15017PID_REG3(IQ)8534PID_REG3(ID)8534PARK4512CLARKE2310I_PARK4512SVGEN_DQ25612ILEG2_DRV12612RAMP_GEN5714RAMP_CNTL5516FC_PWM_DRV2579实验结果一个双重驱动系统如图5所示那样实现。该系统开发分阶段完成，这样可以显著地减少最终的系统调试过程。这个渐增的开发过程一次测试很少的几个软件模块，并且只有在当前阶段完成后才进入后续的开发阶段。图8说明了第一个开发阶段测试初始软件模块。在这个开发中测试了像SVGEN, FC_PWM_DRV等初始模

17、块。逐步地增加了所有必需的软件模块后，完整的系统就建成了，最终建成结果如图2所示。图8 测试一个在建系统的初始模块每个驱动器的独立控制被实现。总的MPIS需求量很好的低于来自控制器的可用的100MIPS，这在使用同样的设备时提供了额外的带宽更好地完成积分函数运算。图9展示了给电机的生成电压。图10展示了一个电机的被测量的相电流。图11说明了一个电机的转子位置和相电流的关系。图9 为双重驱动系统生成的线电压图10 生成的电机相电压（相电压）和重建电机相电流（低迹线）图11 第一个电机的编码器反馈与A相电流测量值的关系（低迹线）总结这篇论文的目的是说明一个单独的DSP控制器可以被用来实现使用如磁场

18、定向控制这样的高级算法的双重高性能的驱动器。这篇论文阐述了高效率地实现一个双重驱动系统所需的硬件装配和软件策略。完整的系统程序使用模块化的方式用C语言编写，可以灵活地用于以后的系统集成。参考文献1. A M Trzynadlowski, “The field orientation principle in control of induction motors” Kluwer Academic Publishers, 1994.A M Trzynadlowski, “异步电机的磁场定向控制原则” Kluwer Academic Publishers, 1994. 2. W Shireen,

19、M S Arefeen and D Figoli, “Multiple motor control using a single DSP controller” IEEE Applied Power Electronics Conference (IEEE-APEC) 1999.W Shireen, M S Arefeen and D Figoli, “使用单DSP控制器的多电机控制” IEEE Applied Power Electronics Conference (IEEE-APEC) 1999.3. M S Arefeen, D Figoli and Z Yu, “Integratin

20、g multiple motor control functions using a single DSP controller” IEEE Applied Power Electronics Conference (IEEE-APEC) 1999.M S Arefeen, D Figoli and Z Yu, “使用单DSP控制器的整合多电机控制” IEEE Applied Power Electronics Conference (IEEE-APEC) 1999.4. TMS320F2808 data manual, 5. Digital Motor Controller Board, Spectrum Digital Inc. 6. eZdsp F2808 for TMS320F2808, Spectrum Digital Inc. 7. C28x IQMath Library - SPRC087,