基于DSP28335的永磁同步电机调速系统设计.doc

1、2011-2012 德州仪器 C2000 及 MCU 创新设计大赛 项目报告 题 目： 基于 DSP28335 的永磁同步电机调速系统设计 组别： 专业组 应用类别： 先进控制类 平台： C2000 题 目： 基于 DSP28335 的永磁同步电机调速系统设计 摘要（中英文） 本控制系统的设计是为了实现基于 TMS320F28335 的永磁同步电动机的调速系统，并把它引用到全电动注塑机当中。本系统使用 SVPWM 的控制方法，通过采样电机电流和旋转变压器的位置信息，实现速度、电流双闭环控制。通过TMS320F28335 的硬件浮点处理核心，实现应用于永磁同步电机的浮点算法，去取代过去的定点算法

2、，提高代码效率。 Abstract: The control system is designed to realize TMS320F28335 based on the permanent magnet synchronous motor speed control system, and put it to quoting all electric of injection molding machine. The system of the control method used SVPWM, through the sampling motor current and rotatin

3、g transformer position information, realize speed, current double closed loop control. Through the TMS320F28335 hardware floating-point processing core, realize the application for permanent magnet synchronous motor in the floating point arithmetic, to replace the past fixed-point algorithm, and imp

4、rove the efficiency of the code. 1. 引言 1.1 设计背景及目的 本永磁同步电机调速系统是全电动注塑机的其中一个应用部分。 全电动注塑机凭借着其节约能源、清洁、噪声少、速度控制效果好、精度高、可重复性高、成本低等众多优点，成为了当下高端注塑机发展的一个方向。 全电动注塑机的所有运动机构都采用交流伺服电动机驱动，一个稳定高效的永磁同步电动机驱动方案成为了全电动注塑机性能的一个 总要部分。本次设计以适用于全电动注塑机的永磁同步电动机控制系统为目标进行设计，采用 TI 公司的 TMS320F28335 作为控制核心。凭借 TMS320F28335 高速的运算能力，

5、适用于电动机控制的各种外设，以及 TMS320F283XX 特有的硬件浮点运算能力，进行永磁同步电动机的调速控制系统的设计。 1.2 设计所要解决的问题 本次设计希望解决以下问题： （ 1）完成 TMS320F28335 的永磁同步电动机控制板的设计。本系统自主设计系统控制板，以 TMSF28335 作为主控芯片，采用 TI 公司提供的 丰富的软件资源进行电机控制算法的设计。 （ 2）完成各外设功能的设计及实现。本次系统应用了 PWM、 SPI、 ADC、SCI 等外设以及若干通用 I/O 口，每一部分都完成各自的功能与任务。本次设计必须在每一个模块功能的完整实现后，才能真正整合成一个完整适用

6、的控制系统，以实现永磁同步电动机调速控制的功能。 （ 3）实现基于 TMS320F28335 的定点算法到浮点算法的转换。由于 TI公司提供的电机控制的各种库函数大部分是由原来的 TMS320F28XX定点芯片转换过来的函数，函数主要还是使用 IQ 库进行运算。为 了发挥 TMS320F28335强大的硬件浮点运算功能，提高代码的效率，必须在设计出浮点的控制方法。 （ 4）实现调速系统的 PID 闭环控制。 PID 控制是经典控制当中的应用最广，最有效的控制方法之一。永磁同步电动机的调速系统的速度、电流双闭环的 PID 参数的调试和确定是系统稳定运行的一个关键。 （ 5）提高调速系统的稳定性和

7、鲁棒性。在完成 PID 控制的基础上根据不同速度、负载智能改变 PID 参数的控制方法。 （ 6）与 PC 通信进行电机的控制。通过 SCI 与 PC 机进行通信控制，实现 PC 机发送命令控制运动 。 2. 系统方案 2.1 系统整体设计方案 图 2.1 永磁同步电机磁场定向控制原理框图 如图 2.1 所示，整个永磁同步电机调速系统工作在速度控制模式下，通过串行 SCI 接口输入速度值以及电机转向。当输入位置控制信号，信号回首先输入位置环，位置环输出速度信号，速度环对输入速度信号进行 PI 调节，输出 Q 轴参考电流， D 轴的参考电流始终保持为 0，然后在分别对两电流作PI 调节，得到两相

8、运动的电流信号，接着通过逆 PARK 变换，变换成两相静止的电流信号，静止的电流信号通过 SVPWM 模块产生出六路 PWM 控制功率逆变 器驱动电机。 U相和 V相的电流值由分别安装在两相上的采样电阻及后续放大处理电路得到，并通过 DSP 的 AD 模块输入。 DSP 将得到的 U 相和 V 相的电流，通过 CLARKE 变换变成静止的两相电流，再通过 PARK 变换把静止的两相电流转换成运动的两相反馈电流，送入电流环中进行运算。 通过安装在电机尾部的旋转变压器，以及负责将旋转变压器的模拟信号转换成数字量的 AD2S90 与 AD2S99 芯片，可以准确地读取永磁同步电机转子的位置，并将此位

9、置以数字量的方式通过 SPI 传送给 DSP。 DSP 可计算出电机的当前速度，反馈 给速度环，并且将电角度的值赋予 PARK 变换与 PARK逆变换。 2.2 系统关键算法 2.2.1 CLARKE 变换及 PARK 变换 在永磁同步电动机的控制当中，对电流的采样和反馈的关键是对三相电流与转子位置关系的解耦和反馈。如图 2.1 中的 CLARKE 变换和 PARK 变换就是完成这一工作，把采集回来的 A 相、 B 相电流，转换成与转子位置无关的动坐标系的 D-Q 轴电流，再进行电流环的控制。 CLARKE 变换和 PARK 变换都是基于三相交流电机的数学模型的变换公式，其中 CLARKE 变

10、换是把每一个瞬时的静止 a-b-c 三相定子电流坐标空间转换成静止的 d-q 坐标系，如图 2.2 所示。 图 2.2 定子静止 a-b-c 坐标系与静止 d-q 坐标系 坐标系变换关系为： 3/)2( IaIbIq IaId（式 2-1） 而 PARK 变换则是吧静止的 d-q 坐标系转变成跟着转子旋转旋转的动坐标系 D-Q 坐标系，以完成电流与转子位置的解耦。具体原理如下图 2.3。 图 2.3 静止 d-q 坐标系与旋转 D-Q 坐标系关系图 如图所示， D 轴为转子磁场指向的方向， ID、 IQ 的值由 D 轴及 d 轴的夹角和 Id、 Iq 有关，其具体公式如下： c o ss in

11、 s inc o s IqIdIQ IqIdID（式 2-2） 2.2.2 SVPWM 的产生 SVPWM 的产生是三相交流电机控制的关键，为了获得 SVPWM 波，控制单元必须产生控制信号来控制逆变器的开关以实现波形的输出。 SVPWM 在交流电动机中按预定的电压相位工作， SVPWM 产生脉冲信号，且能减少谐振。在信号转换方面，采用高速光电耦合器件，把这 8 个信号转换连接驱动功率模块产生 8 个不同相位电压 V0V7。图 2.4 描述了这 种结构。 图 2.4 矢量脉宽调制器的矢量示意图 矢量轴把图 2.4 分成六部分。相邻矢量的二维表示法只有一点点不同，在改变相序时，得出结论是：只有一

12、个晶体管改变导通方式。但一个矢量转换到另一个相邻矢量模式的矢量时，在产生预定输出电压的采样 T 期间 ,这两相矢量时矢量和。 对于数字信号处理器 TMS320LF28335，可以利用芯片集成的 PWM 信号发生器通过编程的方式来实现。任何给定输出所对应的空间矢量可以由图2.5 所示的对称切换方式由基本空间矢 量拟合出来。这种对称的输出方式可以非常方便地由 TMS320LF28335 通过软件的方法控制三路 PWM 发生器实现。 切换满足一下变化规律：（ O000， Ux， Ux 60， O111， Ux 60， Ux， O000），其中 x=0、 120、 240 且有以下特点： （ 1）每个

13、 PWM 通道在每一个 PWM 周期中切换两次； （ 2）在每一个由相邻两个基本矢量所划分的空间里，三路 PWM 通道的切换顺序保持一致； （ 3）每一个 PWM 周期中，输出状态都由 O000 开始； （ 4）每一个 PWM 周期中，插入的 O000 状态的值与 O111 均相同。 V0(000) V1(001) V3(011) V2(010) V6(110) V5(101) V7(111) 1 d q V4(100) 5 4 6 2 3 图 2.5 三相空间矢量 PWM 波形 通过改变 T1、 T2 的大小就能完成空间矢量的不同角度的产生。 2.2.3 抗饱和积分 PI 控制器的设计 在电

14、机控制中通常会用 PI 调节器进行调节，但如果直接用 PI 调节器进行调节的话，在饱和输出时积分环节往往还停留在一个比较大的值，所以，本设计所使用的电流和速度调节器都是带有积分校正的 PI 控制器，它的好处是，在能非常快的退饱和，能够有效地提高系统的动态性能，减少 超调量。其算法框图，如图 2.6 所示。 T0/4 T1/2 T2/2 T0/2 T2/2 T1/2 T0/4 O000 (000) U0 (100) U60 (110) O111 (111) U60 (110) U0 (100) O000 (000) a b c 位于空间矢量 U0 与 U60 之间 T0/4 T1/2 T2/2

15、T0/2 T2/2 T1/2 T0/4 O000 (000) U120 (010) U60 (110) O111 (111) U60 (110) U120 (010) O000 (000) a b c 位于空间矢量 U60 与 U120 之间 T0/4 T1/2 T2/2 T0/2 T2/2 T1/2 T0/4 O000 (000) U120 (010) U180 (011) O111 (111) U180 (011) U120 (010) O000 (000) a b c 位于空间矢量 U120 与 U180 之间 T0/4 T1/2 T2/2 T0/2 T2/2 T1/2 T0/4 O00

16、0 (000) U240 (001) U180 (011) O111 (111) U180 (011) U240 (001) O000 (000) a b c 位于空间矢量 U180 与 U240 之间 T0/4 T1/2 T2/2 T0/2 T2/2 T1/2 T0/4 O000 (000) U240 (001) U300 (101) O111 (111) U300 (101) U240 (001) O000 (000) a b c 位于空间矢量 U240 与 U300 之间 T0/4 T1/2 T2/2 T0/2 T2/2 T1/2 T0/4 O000 (000) U0 (100) U30

17、0 (101) O111 (111) U300 (101) U0 (100) O000 (000) a b c 位于空间矢量 U300 与 U0 之间 图 2.6 抗饱和积分 PI 控制器算法框图 其中： )(kUP 为比例项的输出值， PK 为比例系数， )(ke 为当前误差， iTT为积分系数， cK 为积分项的校正系数， )(kUi 为积分项的输 出值， presatU 为输出限副前的值， U 为输出值， maxU 和 minU 为输出限副的最大值和最小值。 (1)Kp 参数分析： 比例系数 Kp 的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。 Kp越大，系统的响应速度越快，但将产生超

18、调和振荡甚至导致系统不稳定，因此 Kp 值不能取的过大 ;如果 Kp 值取较小，则会降低调节精度，使响 应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统动、静态特性变坏。 (2) Ki参数分析 积分环节作用系数 Ki的作用在于消除系统的稳态误差。 Ki越大，积分速度越快，系统静差消除越快，但 Ki过大，在响应过程的初期以及系统在过渡过程中会产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使动态性能变差；若 Ki过小，使积分作用变弱，使系统的静差难以消除，使过渡过程时间加长， (3) Kc 参数分析 积分饱和校正系数 Kc 的作用在于当控制器输出饱和时，能迅速使得积分项的输出值降下来，避免积分变 量因累加

19、过大，控制器输出值不能迅速退饱和而产生过大超调。 Kc 越大，控制器的输出值退饱和越快，但， Kc 过大会使得输出值在饱和值附近产生过大的振荡使得系统反应过慢； Kc 越小，控制器的输出值退饱和越慢，但， Kc 过小会使得输出值长时间不能退饱和使得系统容易产生过大超调。 (4)参数的整定 PID 参数的整定在工程上有很多方法，其中用得比较多的有仿真法和经验整定法。由于仿真法对电机参数的非常敏感，本次系统的参数整定使用经验整定法，经过反复的调试，对于不同速度段的 PID 参数进行整定，获得分段的 PID 参数。 2.2.4 电流环的设计 电流环是整个永磁同步电机调速系统的内环，也是整个系统最重要

20、的一环，其动态响应特性直接决定着整个系统的好坏。必须保证电流环的响应速度、控制精度 ,矢量控制策略才有可能实现。 系统的载波频率为 15kHz，即电流环的控制周期为 15kHz/s。由于要同时控制 D 轴和 Q 轴的电流，所以电流控制需要两个电流环同时协调工作以达到 Q 轴电流与速度环给定的电流相等， D 轴的电流等于零。 Q 轴电流调节和 D 轴电流调节均使用抗饱和积分 PI 调节器。 电流调节器的参数整定的操作方法： 1.把电机 的转子固定，目的是为了消除电机转动时反电势的干扰； 2.给定一个频率为 1kHz 的正反电流信号，目的是对应速度环所给电流信号的速率； 3.分别采集给定电流信号和

21、反馈电流信号进行对比，反复尝试调整 PI 参数，直到效果最好为止，从而整定 PI参数。 2.2.5 速度环的设计 速度控制也是交流伺服控制系统中极为重要的一个环节，其控制性能是伺服系统整体性能指标的一个重要组成部分。从广义上讲，速度环也应具有响应快，超调量少的特性。具体而言，反映为小的速度脉动率、快的频率响应、宽的调速范围等性能指标。选择好的三相交流 永磁同步伺服电动机、分辨率高的光电编码器、零漂误差小的电流检测元件以及高开关频率的大功率开关元件，就可以降低转速不均匀度，实现高性能速度控制。但是在实际系统中，这些条件都是受限制的，这就要求用合适的速度调节器来补偿。 速度环不需要过高的采样频率，

22、过高的采样频率容易引起系统的不稳定。在程序中，设定每 20 次 PWM 周期进行一次速度采样，即速度环的控制周期为 0.75kHz/s。 这里的速度调节器的参数整定跟电流环一样，都是通过反复调试确定的。 3. 系统硬件设计 3.1 系统总体硬件设计 本控制系统采用 TMS320F28335 为控制核心进行电机控制板的设计，以现成的功率驱动板作为功率放大驱动部分，通过信号接口进行控制。本次设计中应用了 ePWM、 ADC、 SPI、 SCI 等外设，以及使用 GPIO 进行驱动模块的风扇、继电器、刹车电阻用的 IGBT 的通断控制，以及键盘、数码管人机交互的实现。本次设计采用了旋转变压器进行位置

23、信号反馈，通过 AD2S90进行位置模拟信号的处理。以下是本次设计的总体设计图，其中 DSP28335控制板为本次设计的主要部分。 图 3.1 基于 DSP28335 的永磁同步电动机硬件系统图 3.2 PWM 控制电路 本次控制系统采用 SVPWM 控制方法， PWM 由 DSP28335 的 ePWM 外设产生，通过 74HC245 做输出缓冲增强负载能力，驱动功率驱动板上的光耦。功率驱动板采用现成的产品，选用的是 IGBT 模块 7MBR50S120,1200V，50A 的 PIM。 PWM 的输出电路图 3.2 所示，通过一个 PWM1S_ENABLE 信号对 PWM的输出进行输出或关

24、断， PWM1S_ENABLE 信号通过软硬件两个方法对输出进行保护，以保证在错误信号到来时硬件自动关 断 PWM 输出，保护电机和驱动模块。硬件保护电路如图 3.3，通过 SN74HC74 芯片做 D 触发器， 74HC08与门对错误信号，复位信号，软件控制信号进行逻辑处理和判断，对错误信号进行迅速处理。 图 3.2 PWM 输出缓冲 图 3.3 错误信号检测及硬件保护电路 3.3 模拟量输入通道 TMS320F28335 的 ADC 只能对 03V 的模拟信号进行转换。因此必须对功率驱动板反馈回来的电流信号、直流母线电压采集信号进行信号调理。本系统中需要读取的模拟量包括 a、 b 相电流，母线电压值。 3.3.1 A、 B 相电流信号采集与调理 电流反馈是永磁同步电机控制中的一个重要的环节，本系统中功率驱动板采用采样电阻采样 A、 B 两相的电流，通过 A7840 隔离放大器对微电压信号进行放大，再通过 TL082C 运算放大器进一步放大双极性的电压信号，本控制板通过图 3.3 中的电路对双极性的信号进行变换，变为 TMS320F28335可以处理的 03V 的单极性信号。模拟信号采用 REF193 提供参考电压源，通过固定放大倍数 0.2 倍的运放 IN159 做零点平移，并设计了防过压的电路，保证输入 DSP 的电压不会超过容忍范围。