基于TMS320F28035的永磁同步电机矢量控制系统研究
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永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、重量轻、结构多样、可靠性高等优点。在数控机床、工业机器人等自动化领域得到了广泛的应用。数字化交流伺服调速系统采用的是目前非常流行的矢量控制算法，即电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)。SVPWM的主要思想是：以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成脉宽调制(PWM)波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。 由于矢量控制算法对采集PMSM转子的电流、电压等参数的实时性要求很高，且计算量大，一般的微处理器很难达到要求。因此，文中采用TI公司C2000系列高压数字电机开发 套件，利用其DSP芯片TMS320F28035高速数据处理能力，使得整个电机控制系统具有控制精度高，实时性强的特点。 1 系统结构 针对永磁同步电机高阶、多变量、非线性、强耦合的控制特点，如何有效解耦进而实现直流电机般的转矩控制方式，一直以来都是主要的研究热点。永磁同步电机的转子机械位置和磁通位置的一致性，决定了其实现矢量控制方面的优越性。矢量控制即磁场定向控制，利用坐标变换消除原坐标系下参数的耦合，实现对电机的电磁转矩和励磁磁场进行分别控制，进而实现类似直流电机的转矩控制。 目前，PMSM的矢量控制策略主要可以分为：id=0控制、力矩电流比最大控制、总磁链恒定控制、直接转矩控制等。本系统采用id=0控制，该方法由于电枢反应没有直轴去磁分量，就不会产生去磁效应，也就不会出现因永磁电机退磁而导致电机性能变坏的现象，能保证电机的电枢电流和电磁转矩成正比，实现转矩的线性化控制。要实现id=0的解耦控制通常有两种实施方案：电流滞环控制和速度、电流的双闭环控制。本系统选用速度、电流的双闭环控制方式。 由图1可知，永磁同步电机矢量控制系统有以下五部分组成：速度、电流PI调节器;坐标变换模块;空间电压矢量调制(SVPWM)模块;电压逆变模块;位置与速度检测模块。系统的具体控制过程为：通过正交编码器(QEP)对电机的位置和速度信号进行采样，并将速度信号与速度指令信号进行比较，经速度PI调节器的调节后输出指令信号;通过电流采样获得两相定子电流信号(第三相可通过另外两相计算得出)，并经坐标变换得到电流信号;将电流信号分别与指令信号进行比较，经电流PI调节器调节后输出d—q轴电压信号，再经Park逆变换输出轴电压信号;通过SVPWM模块输出六路PWM信号驱动逆变器，产生频率、幅值可变的三相正弦电流输入电机，实现电机的驱动。 2 系统设计 2.1 系统硬件设计 基于DSP28035的永磁同步电机矢量控制系统组成主要包括：埃斯顿EMJ系列永磁同步电机、PC上位机以及TI高压数字电机控制和功率因数校正(HVDMC PFC)开发板。其中，TI公司C2000系列Piccolo TMS320F28035 DSP为其核心控制芯片。系统的硬件总体结构框图如图2所示。 如图2所示，系统以TI公司C2000 Piccolo系列TMS320F28035 DSP为其核心控制芯片，主要包括两相整流模块、软起动滤波与电压测量模块、IPM功率模块和电流测量模块。外设包括JTAG仿真接口、SCI模块、QEP模块、ADC模块、通用I/O口和PWM模块。在程序运行的过程中，由JTAAG接口进行重载代码，在线仿真;与上位机进行通信，利用SCI模块进行扩展;通过通用I/O口与键盘和液晶显示进行连接。 F28035芯片除了主要完成系统所需的控制算法，包括电压、电流采样的模/数转换、Clark变换、Park变换、PI调节器、产生一定的PWM信号去控制系统工作外，还要负责与上位机进行实时通讯及完成系统所需的其他各项控制功能。HVDMC PFC开发板主要由DSP芯片、主板模块、交流电源输入模块、直流电源输入模块、辅助电源模块、独立联合测试行动小组(Joint Test Action Group*JTAG)仿真模块、两相交错功率因数校正模块和三相逆变器模块8部分组成。PFC和功率模块(IPM)是其中两个重要的组成。PFC的作用是将DSP输出的PWM脉冲放大到足以驱动功率开关管，它能够改善功率开关管的开关特性，从而减小开关损耗，提高整个系统的效率及功率器件工作的可靠性。 文中采用单个锁定性霍尔原件做转速和位置的检测。由于霍尔元件具有尺寸小、质量轻、无触点、外围电路简单、频响宽、动态性能好、使用寿命长、调试方便等特点，用他可以做成各种传感器。广泛应用于位移测量、倾角测量、压力测量、转速或转数等方面的测量。由于锁定型霍尔元件是双极触发元件，所以通常锁定型霍尔元件的导通时间等于截止时间，脉冲波形是占空比为50%的方波，它具有良好的稳定性和可靠性。在不考虑安装误差的情况下，锁定型霍尔元件的输出的上升沿和下降沿代表转子位置为0和π，假设在相邻的上升沿与下降沿之间的转速保持不变，可以通过检测相邻上升沿和下降沿之间的时间差来计算转速。计算出角速度w以后，便能计算出每个时刻的转子位置值。 2.2 系统软件设计 在完成硬件系统设计后，进行其软件开发需要两个工具：一个TI提供的JTAG接口的仿真器;另一个是集成开发环境CCS(Code Composer Studio)。整个系统软件是由初始化 主程序和中断子程序构成。主程序主要工作是初始化系统，把PWM处于SVPWM工作条件下，捕捉口CAP1和CAP2处于QEP工作状态下，设定速度等;中断程序主要完成读取位置信息、采集电流、完成矢量转换，并根据控制值产生相应的SVPWM波形。CCS作为智能化集成开发环境，能适应多种场合、多处理器的DSP项目需求，具有以下主要特点： 1)编程方式多样，可使用汇编语言和C语音混合编程，不需要手动编写大量汇编程序; 2)基于专业的行业标准，可视化的代码编辑界面，操作具有较大的灵活性; 3)具有强大的调试能力，可查看寄存器值、设置断点为探针、显示波形等; 4)具有一个开放式应用程序接口(API)，可以构建自定义的插件与其组件交互。 全数字化的永磁同步电机伺服系统最大的特点就是软件伺服，即改变控制功能主要通过改变软件设计来实现。软件伺服增强了控制系统的灵活性，较少了更改硬件产生的成本风险，但是对系统软件设计提出更高的要求。在PMSM矢量控制系统中，软件设计要求在指定中断周期内，对被控电流、位置、转速信号进行采样、逻辑运算，完成控制算法，输出控制信号，并实时进行故障处理。本系统的软件设计采用模块化设计结构，分为主程序和中断服务程序两部分，主要包括系统初始化模块、电流采样模块、坐标变换模块、控制算法模块、SVPWM发生模块、QEP计算模块、串行通信模块等。 如图3所示，系统初始化主要完成初始化控制系统(关闭看门狗和设定系统锁相倍频等)、PIE和外设等。关闭PWM是为了防止PWM1-6产生错误动作，定位子程序是为了获得转子对于光电编码器的相对位置。系统初始化程序是对DSP的宏观系统进行初始化，进行存储空间、系统时钟、系统看门狗、系统中断的设置。 中断服务程序是软件设计的核心部分，包括定时器下溢中断和CPU定时器中断。定时器下溢中断主要通过调用电流采样处理、位置和转速计算、小标变换、数字PID控制和SVPWM发生等功能子模块实现系统控制算法、数据采集;CPU定时器中断主要通过对采样值的处理和I/O状态的检测来完成系统的软件保护，并形成报警码送显。 3 系统实验结果 以埃斯顿伺服电机(型号为EMJ-04APB22)为实验对象，电机定子电阻R=2.8Ω，等效电感L=0.008 5H，转子磁链ψf=0.175Wb，极对数Pm=6，转动惯量J=0.000 87km·m2，力矩常数KT=0.575。 d、q轴电流在起动过程中，q轴电流经历一个很小的超调量之后趋于稳定，稳定后q轴电流保持一个恒定幅值，d轴电流经过一个短暂的振荡过程后趋于稳定，基本上等于给定电流且幅值几乎保持0值不变，从而说明磁场定向准确，d、q轴电流完全解耦。图4所示的为q轴给定电流与数据变换后q轴反馈电流波形。从该图可以看出反馈电流能很好地跟踪 给定电流，在给定±2 A电流时，反馈电流最大超调只有±300mA，而且很快稳定下来。 从图5中得知，该电机的频率为5 Hz，速度为 1 500 r/min，反馈速度能很快的跟踪，且基本上无超调。在给定一个阶跃后，系统大约经过0.035 s调节时间趋于稳定，三相电流波形完全平衡，并且有很好的正弦化趋势。经过大约0.035 s的上升及调节时间，转速趋于稳定，反映了系统响应的快速性，调节过程呈现过阻尼衰减振荡形式，调节过程结束后，转速反馈曲线与转速给定曲线重合，反映出很好的跟随性，但是调节过程有一个大约10%的超调量，在实际系统中，超调量会大大减小。 4 结论 本文PMSM控制系统采用TMS320F28035，充分运用DSP芯片速度快、运算能力强的优势，使系统具有较好的动态特性和稳态精度。实验结果表明，基于DSP所实现的矢量控制算法，在永磁同步电机驱动的应用上，电机的速度控制效果很理想。 |
