基于DSP永磁同步电机数字变频调速系统

技 ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｅｒｖｏ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｌｌ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．
图 ２ 电流检测电路图 ２．３ 电流检测电路设计
在三相电动机的变频调速中， 为了得到更高的控制性 能， 很多控制策略， 比如矢量控制等都需要知道电动机定子 的三相电流。一般检测三相中的两相， 利用三相相电流和为 零 （ ｉａ ＋ ｉｂ ＋ ｉｃ ＝ ０） 来 获 取 另 一 相 的 值 。本 系 统 电 流 采 样 使 用 串在电机绕组电路中的精密电阻做传感元件， 用高精度的带 有 Ａ ／Ｄ 和 Ｄ ／Ａ 转换的线性光 耦 隔 离， 以 保 证 控制 电 源 的独 立 性 ， 信 号 经 差 分 驱 动 ／放 大 ， 由 ＤＳＰ 内 置 的 １０ 位 的 ＡＤＣ 进 行采样。电流检测电路如图 ３。
出， 当 ｉｓ 与 ｄ 轴的夹角 β为 ９０°时， 可以获得最大转矩。这时， ｉｄ ＝ ｉｓ ｃｏｓβ＝ ０， ｉｑ ＝ ｉｓ ｓｉｎβ＝ ｉｓ ， 式（ １ ）可 以 改 写 为：Ｔｍ ＝ ｐΨｆ ｉｑ ＝ ｐΨｆ ｉｓ （２） 式（２）说 明 只 要 保 持 ｉｓ 与 ｄ 轴 垂 直， 就 可 以 像 控 制 直 流 电 动 机 那 样， 通 过 调 整 分 量 ｉｑ 来 控 制 转 矩，实 现 永 磁 同 步 电
图 １ 永磁同步电动机变频调速系统硬件结构图 ２．１ 主回路设计 主电路采用单相不控整流， 逆变器采用三菱公司智能功率 模块（ ＰＭ２０ＣＳＪ０６０） 。该模块将 ６ 只 ＩＧＢＴ 封装在一起。组成三 相全 桥 逆变 电 路， 体 积 小 、重 量 轻， 内 部 集 成 有 驱 动 电 路， 并 设 计 有 过 电 压 、过 电 流 、过 热 及 欠 电 压 等 故 障 保 护 电 路 。 额 定 参 数 为 ６００ Ｖ ／２０ Ａ， 开关频率可达 ２０ ｋＨｚ。其 外 围 电路 主 要 包括 ６ 路 ＰＷＭ 驱动信号加快速光耦隔离， 驱动简单可靠。驱动电路供 电电压为＋ １５ Ｖ， 由开关电源提供 ４ 路隔离的＋ １５ Ｖ 电源。主电 路为避免上电时出现过大的瞬时电流和电机制动时产生过高的 泵生电压， 设有软启动电路以及能耗制动时的能量泄放回路。
率模块（ ＩＰＭ）实现。本系统采用 ＴＩ 公司的高性能数字信号处理
器 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２， 利用 ＤＳＰ 内 部 资 源 采 集 电 机 的 反 馈 量， 包 括
定子相电流， 转子位置和转速； 以此为依据产生可控制的脉冲驱
动三相桥式逆变器， 进而控制逆变器的输出电压， 数字变频调速。本文介绍了
以 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 为 核 心 的 全 数 字 ＰＭＳＭ 变 频 调 速 系 统 的 硬 件
以及软件设计， 在永磁同步电动机上测试并给出了实验果。
１ 永磁同步电机矢量控制变频调速原理
三 相 永 磁 同 步 电 机 的 模 型 是 一 个 多 变 量 、非 线 性 、强 耦 合
系 统， 当 采 用 转 子 磁 场 定 向（ｄ 轴 与 转 子 磁 场 方 向 重 合）的 方 法
ＤＳ Ｐ 开 发 与 应 用
文章编号：１００８－ ０５７０（２００８）０５－ ２－ ０１６２－ ０２
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 Ｓ ＯＣ ）２００８ 年 第 ２４ 卷 第 ５－２ 期
基于 ＤＳ Ｐ 永磁同步电机数字变频调速系统
Ｆｕ ｌｌ Ｄｉｇ ｉｔａ ｌ Ｖａ ｒｉａ ｂ ｌｅ Ｆｒｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃｙ Ｖａ ｒｉａ ｂ ｌｅ Ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ Ｃｏ ｎ ｔｒｏ ｌ Ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ ｏ ｆ ＰＭＳ Ｍ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＤＳ Ｐ
３ 软件设计
在 以 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ 为 核 心 的 永 磁 同 步 电 动 机 变 频 调
速系 统 中， ＤＳＰ 要 承 担 管理 、协 调 、监督 控 制 系统 各 个 环节 的 繁
重 任 务 。由 于 变 频 调 速 系 统 的 控 制 属 于 快 速 性 要 求 较 高 的 运 动
进行解耦控制时， 得到电机的转矩方程为：
Ｔｍ ＝ ｐ［Ψｆ ｉｑ － （Ｌｄ － Ｌｑ ） ｉｄ ｉｑ ］ （１） 式中， ｐ 为 转子 磁 极 对 数， Ψｆ 为转子磁场在定子上的耦合磁链， ｉｄ、ｉｑ 为定子 电 流矢 量 ｉｓ 在 ｄ、 ｑ 轴的分量， Ｌｄ、Ｌｑ 为电机 ｄ、ｑ 轴的电感。对 一般 的 正 弦分 布 式 ＰＭＳＭ， 若不考虑转子磁场的凸极效应， Ｌｄ ＝ Ｌｑ。由式（１）可以看
术 Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＰＭＳＭ； Ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒ ｏｌ；ＤＳＰ；ＩＰＭ
创 引言
新
永磁 同 步电 动 机 具有 结 构 简单 、运 行 可靠 、体 积 小、重 量 轻
以及具有较高的效率和功率因数等优点， 已广泛应用于工业机
器人、数控机床、柔性制造系统各种自动化设备等领域。目前， 数
字 化 交 流 伺 服 系 统 主 要 采 用 高 性 能 数 字 处 理 器（ＤＳＰ）和 智 能 功
３ 和图 ４ 所示。
３．２ 初始化模块
术
包括 硬 件初 始 化 、软件 变 量 初始 化 以 及循 环 等 待 等 。 其 中
该 ＰＭＳＭ 矢 量 控 制 系 统 可 以 广 泛 应 用 于 伺 服 驱 动 系 统 中 。
关键词： 永磁同步电动机； 矢量控制； 数字信号处理器； 智能功率模块
中图分类号： ＴＭ９２１．５
文献标识码： Ｂ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ｆ２８１２． Ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＰＭＳＭ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ａｎｄ ＩＰＭ． Ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｒｅ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｅ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ
控制范畴， 系统受控状态量的变化很快， 这就要求系统的采样
周期尽可能的短；鉴于该系统的实时性要求很高， 因此， 在软件
设计时必须合理的安排好各个程序模块结构以及相互之间的
时序配合。系统软件设计可分为初始化模块和控制模块部分；
本系统所采用的转子磁场定向策略， 其主要工作是由控制模块
技 中 的 中 断 来 完 成； 系 统 的 主 程 序 和 控 制 模 块 流 程 图， 分 别 如 图
（邵阳学院） 申 寿 云 林 立
Ｓ ＨＥＮＧ Ｓ ｈｏｕ－ｙｕｎ ＬＩＮ Ｌｉ
摘要： 详 述 了 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 的 性 能 特 点 ， 给 出 一 种 基 于 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 和 智 能 功 率 模 块 （ＩＰＭ）实 现 永 磁 同 步 电 机 （ ＰＭＳＭ） 矢 量
控 制 变 频 调 速 系 统 的 方 案 ； 阐 述 了 矢 量 控 制 原 理 ， 进 行 了 系 统 的 硬 件 和 软 件 设 计 。实 验 结 果 表 明 系 统 有 良 好 的 动 静 态 性 能 ，
机转矩的线性化控制， 而关键就是转子磁场的精确定向和电流
申寿云： 硕士 讲师 基金项目：湖南省教育厅科研基金项目：单神经元电机变频调 速 系 统 研 究 （０７Ｃ ６７４）
高速化控制。
２ 系统硬件设计
永磁同步电动机数字化变频系统结构框图如图 １。 系统 可 分为 主 回 路、控 制 回 路。主 回 路 包括 智 能 功 率 模 块 ＩＰＭ 和 电 动 机； 控 制 回 路 以 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ 为 核 心 ，辅 以 电 流检测电路。
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《现场总线技术应用 ２００ 例》
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ＤＳ Ｐ 开 发 与 应 用
２．２ 控制回路设计 控 制 器 采 用 ＴＩ 公 司 最 新 推 出 的 ３２ 位 定 点 数 字 信 号 处 理 器 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２。 它 采 用 高 性 能 的 静 态 ＣＭＯＳ 技 术 ， 主 频 达 １５０ＭＨｚ， 使 得 指 令 周 期 缩 短 为 ６．６７ｎｓ， 提 高 了 控 制 器 的 实 时 控 制能 力 。高 性能 ３２ 位 ＣＰＵ， 单 周 期 ３２×３２ 乘 法 累 加 运 算 操 作， 能够完成 ６４ 位的数据处理， 实现高精度的处理任务。高效的代 码 转 换 功 能 （支 持 Ｃ／Ｃ ＋ ＋和 汇 编 ）并 与 ＴＭＳ３２０Ｆ２４ｘ／ＬＦ２４０ｘ 程 序 代 码 兼 容 。 片 内 存 储 器 资 源 包 括 ： 片 内 １２８ ｋ ×１６ 位 的 ＦＬＡＳＨ， １２８ｋ×１６ 位 ＲＯＭ， １８ｋ ×１６ 位 的 ＳＡＲＡＭ， １ ｋ×１６ 位 一 次 可 编 成 的 存 储 器 ＯＴＰ。 片 上 Ｆｌａｓｈ／ＲＯＭ 具 有 可 编 成 加 密 特 性， 可以方便现场软件升级。带有 １２８ 位保护密码， 防止非法用 户通过 ＪＴＡＧ 仿真接口查看 ＦＬＡＳＨ ／ＯＴＰ ／Ｌ０ ／Ｌ１ 的内容、访 问 外设和装载某些不合法的软件， 保证了相关数据的安全性。模 数转换器（ＡＤＣ）：两个 ８ 路 １２ 位 Ａ／Ｄ 转换 器， Ａ／Ｄ 转 换速 度 可 达 ２００ｎｓ， 具 有 自 动 排 序 能 力， 一 次 可 执 行 最 多 １６ 个 通 道 的 自 动 转换， 流水线最快转换周期为 ６０ ｎｓ。可工作在 ８ 个自动转换的 双排序工作方式或一组 １６ 个自动转换通道的单排序工作 方式， 可 编 程为 顺 序 采样 和 双 路同 步 采 样。支 持 软 件启 动 、事 件管 理 中断启动和外部信号启动， 其中， 可以利用事件管理器的定时 中断来启动 Ａ／Ｄ， 进行实时采样。事件管理模块：４ 个 １６ 位通用 定时器可用于产生采样周期， 作为全比较单元产生 ＰＷＭ 输 出 以 及 软 件 定 时 的 时 基 。 ２ 个 事 件 管 理 器 可 产 生 １６ 路 独 立 的 ＰＷＭ 信号， ３ 个具有可编程死区的全比较单元可以产生 独 立 的 ３ 对 ＰＷＭ 信号。对于每一个比较单元的输出， 死区的产生可单 独被使能／禁止。当 ＱＥＰ 电路被使能时， 可以对引脚 ＣＡＰ１／ＱＥＰ１ 和 ＣＡＰ２ ／ＱＥＰ２ 上的正交编码脉冲进行解码和计数， 通 过 检 查 编码盘脉冲信号， 可以获得电机的角位移和转向， 通过脉冲的 频 率 测 出 角 速 度 。标 准 的 通 信 接 口 ：包 括 两 个 异 步 串 行 外 设 通 信 口（ＳＣＩ）、一 个 同 步 串 行 外 设 接 口（ ＳＰＩ）、增 强 型 控 制 器 区 域 网（ｅ－ ＣＡｎ）模块和多通道缓冲串口（ＭｃＢ２ＳＰ）。其中， ｅＣＡＮ 模块完全兼 容 ＣＡＮ２１０Ｂ 协 义， 可 以 在 有 干 扰 的 环 境 里 使 用 上 述 协 议 与 其 他控制器串行通信。ｅＣＡＮ 模块具有 ３２ 个可以完全控制的邮箱 和时间标识特性， 提供了一个通用可靠的串行通信接口。同时， 还 具 有 位 传 输 速 率 、中 断 方 案 和 总 线 唤 醒 事 件 、超 强 的 错 误 诊 断 、自 动 错 误 重 发 和 远 程 请 求 回 应 、支 持 自 测 试 模 式 等 功 能 。本 系统 采 用 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 作 为 控 制芯 片， 使 用 事 件 管 理 器 控 制 逆变器， 通过正交编码电路接口检测电机的位置和速度信号， 以 及 ＡＤ 单 元检 测 电 流信 号， 使 得控 制 系 统 具 有 控 制 精 度 高 、 硬 件 简 单 、可 靠 性 高 等 优 点 。