基于TMS320F2806實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)矢量控制硬件設(shè)計(jì)方案

隨著DSP和功率器件的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已成為科技發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。隨著帶有實(shí)時(shí)信號(hào)處理器的電機(jī)控制專(zhuān)用器件和高集成度的智能功率模塊(IPM)的引入，使得變頻器供電的感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。由于功率變換器能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)電壓、電流幅值和頻率，所以這種控制系統(tǒng)可獲得最佳性能。

傳統(tǒng)的恒壓頻比控制是感應(yīng)電機(jī)最基本的常用控制方式之一，但這種方式是從電機(jī)的機(jī)械特性出發(fā)分析電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和特性的，動(dòng)態(tài)效果不理想。而感應(yīng)電機(jī)矢量變換控制可使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能與直流電機(jī)相媲美。矢量變換技術(shù)巧妙實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)磁通，轉(zhuǎn)矩的重構(gòu)和解耦控制，從而使感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)趨于高性能。實(shí)現(xiàn)矢量變換控制需要實(shí)時(shí)完成坐標(biāo)變換、轉(zhuǎn)速控制、電流檢測(cè)、磁鏈估計(jì)、PWM信號(hào)生成及故障檢測(cè)保護(hù)等功能，處理數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性和精度要求高。與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，DSP具有高集成度，快速的CPU，大容量存儲(chǔ)器，可提供高速同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口，尤其是DSP精簡(jiǎn)的指令系統(tǒng)、獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間等使其具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，因此DSP廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制系統(tǒng)。

本文介紹了TMS320F2806的基本結(jié)構(gòu)和性能，給出了感應(yīng)電機(jī)矢量控制(轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制)的硬件設(shè)計(jì)方案、軟件控制算法。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用TMS320F2806豐富的外圍元件和較強(qiáng)的運(yùn)算能力，系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該矢量控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速性能。

2 TMS320F2806簡(jiǎn)介

TMS320F280x系列是美國(guó)德州儀器公司的數(shù)字信號(hào)處理器，該系列處理器是基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點(diǎn)DSP，是集成度較高、性能較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制系列器件。器件內(nèi)部集成多種先進(jìn)的外設(shè)，為電機(jī)及其他控制應(yīng)用提供良好平臺(tái)。TMS320F280x系列內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TMS320F280x系列數(shù)字信號(hào)處理器與先前的TMS320F24x系列相比，提高了運(yùn)算精度和系統(tǒng)處理能力；與TMS320F281x DSP控制器相比。省去了TMS320F281x DSP中的兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，事件管理器模塊的功能由增強(qiáng)型外設(shè)模塊ePWM、eCAP和eQEP取代，使得設(shè)計(jì)人員能有效地解決富有挑戰(zhàn)性的控制問(wèn)題。TMS320F280x高速的運(yùn)算能力保證了控制實(shí)時(shí)性，大容量存儲(chǔ)空間無(wú)需擴(kuò)展片外RAM就能滿足存儲(chǔ)需求，保證了控制系統(tǒng)的高度可靠性，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級(jí)產(chǎn)品。TMS320F2806的主要特點(diǎn)如下：

采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，內(nèi)核與I／O的供電電壓分別為1.8 V和3.3 V，降低了控制器損耗；100 MI／s的執(zhí)行速度使指令周期縮短至10 ns，提高控制器的實(shí)時(shí)控制；

片內(nèi)含有高達(dá)32 KB×16的Flash程序存儲(chǔ)器、10 KB×16 bit的SRAM、10 KB×16 bit的OTPROM以及4 KB ×16 bit的Boot ROM；

12位A／D轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為160 ns，8個(gè)或16個(gè)多路復(fù)用輸入通道，采樣時(shí)間與轉(zhuǎn)換時(shí)間分開(kāi)，提高了采樣率和輸入阻抗。支持自動(dòng)順序采樣，無(wú)需CPU干預(yù)；

多達(dá)16路的PWM為高效的馬達(dá)控制(雙電機(jī)控制)提供便利，其中6路為HRPWM(高分辨率脈寬調(diào)制)，時(shí)間步長(zhǎng)精度高達(dá)到150 ps，可控制所有類(lèi)型電機(jī)；

eCAN總線控制器可為控制器、傳感器、激勵(lì)源以及其他節(jié)點(diǎn)提供良好通訊，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和汽車(chē)等大噪聲和惡劣環(huán)境。

3三相感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

基于TMS320F2806控制的小功率異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。變頻器系統(tǒng)采用DSP作為運(yùn)算控制單元，功率電路變換單元采用三菱公司的第五代低功耗智能型模塊(IPM) PS21564，采用萊姆公司的霍爾電流傳感器檢測(cè)電機(jī)兩相電流，采用霍爾電壓傳感器檢測(cè)逆變器的母線電壓。三相工頻電源經(jīng)整流橋整流，經(jīng)電容濾波得到直流電壓，送至逆變器IPM模塊的直流輸入端的P端和N端。TMS320F2806控制器對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，空間矢量算法產(chǎn)生3個(gè)互差120°的3對(duì)SVP-WM脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離后作用于PS21564控制輸入端(UP、VP、WP、UN、VN和WN)。PS21564的輸出端U、V和W輸出3個(gè)互差120°的高壓SVPWM波形以驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，改變其輸出頻率，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)變頻調(diào)速。由于PS21564具有短路、欠壓、過(guò)熱檢測(cè)電路及保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，PS21564鎖存內(nèi)部6只ICBT功率管，同時(shí)將故障信號(hào)發(fā)送至TMS320F2806的功率保護(hù)中斷引腳；TMS320F2806立即鎖存PWM波形的輸出，并向TMS320F2806發(fā)送功率保護(hù)中斷請(qǐng)求。

4三相感應(yīng)電機(jī)矢量控制軟件設(shè)計(jì)

矢量變換控制(簡(jiǎn)稱(chēng)矢量控制)是以電機(jī)物理結(jié)構(gòu)建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，經(jīng)一系列矢量變換(三相-兩相變換(Clarke變換)、矢量旋轉(zhuǎn)變換(Park變換、Park逆變換)，將原來(lái)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型變換成公共坐標(biāo)系統(tǒng)中的等效正交兩相模型(dq模型)，獨(dú)立控制公共坐標(biāo)系統(tǒng)中相關(guān)矢量(如電流或磁鏈等)的各分量．利用矢量的反變換獲得三相坐標(biāo)系統(tǒng)中的控制量(如電流、電壓)大小，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的控制。

感應(yīng)電機(jī)矢量變換控制中的公共坐標(biāo)系統(tǒng)(dq)通常將d軸建立在某一磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的矢量位置上，也就是由該磁場(chǎng)矢量確定公共坐標(biāo)系統(tǒng)，因此感應(yīng)電機(jī)矢量變換控制也稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制(Field-Oriented Control，簡(jiǎn)稱(chēng)FOC)。三相感應(yīng)電機(jī)存在三種磁場(chǎng)：定子磁場(chǎng)、氣隙合成磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，因此有三種磁場(chǎng)定向控制方法。本系統(tǒng)控制采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制。

4.1三相感應(yīng)電機(jī)矢量控制算法

為了達(dá)到高精度的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制及磁場(chǎng)定向，必須在電機(jī)軸上安裝速度傳感器。但許多場(chǎng)合不允許外接任何速度和位置檢測(cè)元件，安裝速度傳感器在一定程度上會(huì)降低調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，因此本文采用基于轉(zhuǎn)子磁通定向的無(wú)速度傳感器矢量控制變頻調(diào)速。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向算法功能框圖如圖3所示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于通過(guò)磁通估計(jì)模塊計(jì)算磁鏈和磁通角，然后通過(guò)開(kāi)環(huán)速度估計(jì)模塊估算轉(zhuǎn)子角速度。圖3中的上標(biāo)"s"、"e"分別表示靜止坐標(biāo)系和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，上標(biāo)"i"、"v"分別表示電流模型和電壓模型，下標(biāo)"d"、"q"分別表示d軸和q軸上的矢量分量，下標(biāo)"s"、"r"分別表示定子和轉(zhuǎn)子的參數(shù)。

為使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，速度控制器和電流控制器采用積分分離的PI控制，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量給定值ie*qs和勵(lì)磁分量給定值ie*ds都在同步的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中給出，ie*qs是速度控制器的輸出，ie*ds與轉(zhuǎn)子磁鏈給定值成比例，可直接給出。兩個(gè)電流控制器的輸出即為定子電壓矢量給定值在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量ve*qs、ve*ds，它們經(jīng)過(guò)逆Park變換和空間矢量變換模塊，再由DSP的脈沖發(fā)生電路最終生成PWM信號(hào)。電流反饋信號(hào)經(jīng)Clarke變換和Park變換得到兩個(gè)電流的反饋量ieds和ieqs。磁通估計(jì)模塊的輸入由電壓反饋信號(hào)經(jīng)相電壓重構(gòu)模塊的輸出和Clarke變換的輸出構(gòu)成，通過(guò)磁通估計(jì)模塊算法計(jì)算轉(zhuǎn)子磁通角θλr，最后由速度估計(jì)模塊得到速度的反饋值?r。

4.2三相感應(yīng)電機(jī)矢量控制軟件實(shí)現(xiàn)

控制軟件由初始化程序和運(yùn)行程序組成，其軟件流程圖如圖4所示，其中初始化程序完成DSP硬件及軟件變量的初始化及使能中斷。運(yùn)行程序則包括無(wú)限循環(huán)和中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序由電流及轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)處理、坐標(biāo)變換、磁通估計(jì)、開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速估計(jì)、SVPWM信號(hào)產(chǎn)生等功能模塊構(gòu)成。各功能模塊依照一定的順序，在固定的時(shí)間周期內(nèi)執(zhí)行，利用EPWM1時(shí)基CNT_zero中斷啟動(dòng)程序的運(yùn)行。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了使系統(tǒng)具有良好的可移植性．對(duì)所有物理變量(電流、電壓、磁鏈、磁通角、速度、轉(zhuǎn)矩等)都進(jìn)行歸一化(Per Unit-Pu)預(yù)處理。其中：電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值設(shè)置為ω*r=0.5Pu=900 rpm(1Pu=1 800 rpm)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1=0.136Pu(1 N.m)、勵(lì)磁分量給定值ie*ds=0.4Pu(2 A)。本系統(tǒng)以TMS320F2806 DSP為核心，采用32位定點(diǎn)算法(調(diào)用IQmath庫(kù)函數(shù))，用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，通過(guò)CCS2.2開(kāi)發(fā)環(huán)境仿真試驗(yàn)，電機(jī)空載和加載運(yùn)行結(jié)果如圖5、圖6所示。對(duì)照兩種仿真結(jié)果看出，本設(shè)計(jì)方案無(wú)論空載還是加載，電流波形正弦良好。系統(tǒng)能迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)幾乎無(wú)超調(diào)，且穩(wěn)態(tài)誤差小，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

6結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的無(wú)速度傳感器矢量控制方案設(shè)計(jì)合理，控制精度高，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。該系統(tǒng)是基于高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2806，結(jié)合傳統(tǒng)電壓模型法和電流模型法的優(yōu)點(diǎn)，在高速和低速范圍內(nèi)都能準(zhǔn)確地觀測(cè)磁鏈，實(shí)時(shí)完成變換控制策略的坐標(biāo)變換、轉(zhuǎn)速控制、電流檢測(cè)、磁鏈(磁通)估算、PWM信號(hào)生成，從而實(shí)現(xiàn)三相感應(yīng)電機(jī)的高性能變頻調(diào)速控制。