DSP芯片在交流電機控制中的應用1

1、DSP芯片在交流電機控制中的應用摘要：通過研究交流電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并結合永磁同步電機的控制系統(tǒng)框圖，提出了運用電機專用DSP芯片TMS320F2812對交流電機控制所起到的作用和所實現(xiàn)的方便功能。由于現(xiàn)在的系統(tǒng)大多要求在多個電機和傳動裝置之間協(xié)調并精確地運動，因此導致現(xiàn)在的運動控制技術越來越復雜。使用 DSP 最明顯的優(yōu)點在于提高了系統(tǒng)的可靠性，并降低了整個系統(tǒng)的成本。另外，利用諸如 DSP 能直接產(chǎn)生 PWM 的軟件技術，可明顯降低由電磁干擾引起的噪聲。關鍵詞：DSP，交流電機，PWM,控制系統(tǒng)1 引言在工礦企業(yè)中，電動機是應用面最廣、數(shù)量最多的電氣設備之一。因而電機的運動和控制與企業(yè)的

2、產(chǎn)品質量和效益密切相關。而電機又分為直流電機和交流電機，現(xiàn)在隨著變頻技術的發(fā)展，特別是矢量變頻技術的發(fā)展，已經(jīng)可以用變頻電機模擬成直流電機，從而已經(jīng)有取代傳統(tǒng)直流電機的趨勢了，因此交流電機應用越來越廣泛地同時也成為我們在電機行業(yè)研究的熱點。早期交流電機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成；控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)控制非常不靈活、調試困難，因此阻礙了交流電機控制發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月異，特別是DSP等高速處理器的出現(xiàn)，使很多功能和算法可以采用軟件來完成，為交流電機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能夠達到更高的

3、性能。2 交流電機控制系統(tǒng)2.1直、交流電機的優(yōu)缺點 電機大體可以分為直流電機和交流電機，早期的電機行業(yè)，直流電機由于控制簡單，調速平滑，只需改變輸入或勵磁電壓電流就可以實現(xiàn)調速，性能良好，一直占據(jù)著主導地位。然而，直流電機結構上存在的機械換向器和電刷，造價過高，維護困難，使它具有一些難以客服的缺點。同時，人們把越來越多的精力投入到了交流電機中，交流電機結構簡單牢固，制造成本低，便于維護，運行可靠，效率高，雖然自身完成不了調速，可控性有所欠缺，需要借助變頻設備來實現(xiàn)速度的改變，但仍然阻擋不了交流電機在工業(yè)應用、日常生活和科技研發(fā)等領域廣闊的應用前景。2.2 交流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)被控量給定環(huán)節(jié)執(zhí)

4、行環(huán)節(jié)控制環(huán)節(jié)被控對象測量環(huán)節(jié)圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示為交流電機的閉環(huán)控制結構框圖，給定環(huán)節(jié)給定相應的給定信號，是用戶給定系統(tǒng)的設定值，然后送到誤差比較器。誤差比較器的功能是將用戶給定系統(tǒng)的設定值與系統(tǒng)反饋電路反饋回來的電機實際進行比較，從而送出一個誤差信號?？刂骗h(huán)節(jié)就是我們常說的控制器即微處理器，它的輸入量就是剛才提到的反饋誤差，輸出量是PWM脈沖?？刂破魇钦麄€控制系統(tǒng)的核心，它不僅要完成系統(tǒng)所需要的各種復雜的算法，還要發(fā)出PWM脈沖信號，驅動電機的運轉。它通過內(nèi)部控制程序，對輸入接口輸入的數(shù)據(jù)進行處理，完成控制計算等工作，通過輸出接口電路向外圍設備發(fā)出各種控制信號。這也是本篇報告要

5、講的核心內(nèi)容。執(zhí)行機構是電力電子器件（驅動電路），電力電子器件主要是作為功率開關使用，PWM脈沖信號加在驅動電路芯片的輸入端，控制電力電子器件的開通和關斷，電力電子器件與PWM技術結合，達到向電機提供所需要的不同極性、不同電壓、不同頻率、不同相序的供電電壓的目的，以此控制電機的起停、轉向和轉速。而被控對象就是我們要研究的交流電機。閉環(huán)控制系統(tǒng)最大的特點就是反饋環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)中引入檢測環(huán)節(jié)并對其進行閉環(huán)控制，可從根本上解決系統(tǒng)的精度問題。檢測環(huán)節(jié)可將檢測到的實際位移反映給控制器，控制器根據(jù)檢測到的運動部件的實際位移和速度狀態(tài)，來調整輸入脈沖的數(shù)量、頻率，使電機穩(wěn)定在正常運行狀態(tài)，從而滿足電機驅動系

6、統(tǒng)的精度和可靠性要求。上面主要介紹了交流電機的工作過程，對交流電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)做了詳細的介紹，這也是這個月份讀書報告的一部分，也為了引出數(shù)字信號處理器（DSP）做了一些鋪墊，接下來就要介紹DSP芯片在交流電機中的應用。本篇報告選用德州儀器公司（TI）2002年推出的專門用于電機控制的TMS320F2812芯片，并且以它在永磁同步電機中所起到的作用為例，來詳細介紹DSP對未來電機研究的實用性及重要性。3 DSP在永磁同步電動機中的應用由于矢量控制、直接轉矩控制、無速度傳感器控制、基于智能化的系統(tǒng)控制（如模糊控制、滑模變結構控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制）等新理論的應用，使交流傳動中的控制算法越來越復雜

7、。早期交流電機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成；控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)控制非常不靈活、調試困難。隨著單片機技術的日新月異，特別是DSP等高速處理器的出現(xiàn)，使很多功能和算法可以采用軟件技術來完成，為交流電機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能夠達到更高的性能。圖2基于TMS320F2812的永磁同步電動機的控制系統(tǒng)框圖TMS320F2812是典型的集成DSP電機控制器，它廣泛應用于三相交流感應電機、永磁同步電機、無刷直流電機等全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)中。圖2是基于TMS320F2812的永磁同步電動機的控制系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)是一個包括

8、位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù)由PC通過RS-232接口傳給DSP,DSP負責各相電流采樣、轉速采樣，并計算電動機轉速和位置信息，最后進行校正補償處理，確定PWM脈寬系數(shù)，進而輸出6路PWM信號，經(jīng)過光電隔離電路后，驅動逆變器功率開關器件。同時，DSP還監(jiān)視逆變調速系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓、過熱等故障時，執(zhí)行中斷，DSP將立即封鎖PWM輸出信號，使電動機停止轉動。下面來通過TMS320F2812的芯片結構來介紹它在這個系統(tǒng)中怎樣實現(xiàn)這些功能，又有什么方便的作用的。4 電機控制TMS320F2812DSP芯片圖3是TMS320F2812的體系結構框圖，首先我

9、們由框圖來簡單介紹F2812的內(nèi)部構成。TMS320F2812是TI公司專門用于控制的一款高性能、多功能、高性價比的頂點32位DSP處理芯片。該芯片最高可以150MHz主頻工作，并帶有18K×16位零等待周期的片內(nèi)SRAM和128K×16位的片內(nèi)Flash。它還有3個獨立的32位CPU定時器，以及56個可獨立編址的GPIO引腳，還可外擴大于1M×16位程序和數(shù)據(jù)處理器。該芯片片上外設主要包括16路12位精度的ADC、2路SCI、1路SPI、1路McBSP、1路eCAN，以及兩個事件管理器等。每個事件管理模塊包括6路PWM、2路QEP、3路CAP和2路16位的定時器

10、。圖3 TMS320F2812體系結構框圖4.1 好處一首先，DSPF2812用于電機控制一大優(yōu)點就是速度快。電機控制對數(shù)據(jù)的處理速度和執(zhí)行速度有很高的要求，更快的處理速度就意味著更強大的性能，更優(yōu)越的應用。這里我們看F2812CPU的主頻，主頻越高，處理速度越高，而它的主頻最高可達150MHz，而經(jīng)典的C8051單片機才只有12 MHz，TI的超級功耗單片機MSP430也只有最高可達25 MHz。同時，TMS320F2812采用改進的哈佛結構，芯片內(nèi)部具有6條32位總線;程序存儲器總線和數(shù)據(jù)存儲器總線相互獨立，支持并行的程序和操作數(shù)尋址，因此CPU的讀/寫可在同一周期內(nèi)進行。其次，加上四級的

11、流水線操作( 即基本指令的取指、譯碼、讀操作數(shù)和執(zhí)行并行操作) 使指令和數(shù)據(jù)能并行移動和同步執(zhí)行, 保證了靈活性, 加快了執(zhí)行速度, 縮短了整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間。最后F2812中支持16×16位或者32×32位乘累加操作，這是信號處理器區(qū)別于其他通用微處理器的主要特征，也是實現(xiàn)實時數(shù)字信號處理的必要部件，這種硬件加強的方式大大提高了計算能力。這種高速運算能力使精確PID和多變量控制、自適應控制、參數(shù)估計、光譜分析、壓縮/解壓縮、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等復雜控制算法得以實現(xiàn)。4.2 好處二其次，DSPF2812用于電機控制另一大優(yōu)點就是采樣。上面介紹了這是一個包括位置反饋、速度反饋

12、和電流反饋的三閉環(huán)系統(tǒng)，這就需要對電流、轉速、位置進行采樣，在經(jīng)過量化、編碼，變?yōu)閿?shù)字信號，再有計算機處理，構成對PWM脈沖波寬調整的因素。通常的系統(tǒng)中需要外加采樣器件，這無形中增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。而引入DSP后，DSP有能力響應和處理采樣模擬信號得到的數(shù)據(jù)流，DSP可以負責各相電流采樣（盡管精度不是很高，但正在運用各種方法提高ADC的采樣精度）、轉速采樣，從而簡化了系統(tǒng)，位系統(tǒng)控制提供了很大的方便。 對于電流檢測，A/D轉換器是采集通道的核心，也是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速率和精度的主要因素，TMS320F2812ADC模塊是一個12位帶流水線的模數(shù)轉換器(ADC)，它有16個通道，可配置為2

13、個獨立的8通道模塊，分別服務于事件管理器A和B，兩個獨立的8通道模塊也可以級聯(lián)構成一個16通道模塊。兩個8通道模塊能夠自動排序，每個模塊可以通過多路選擇器(MUX)選擇8通道中的任何一個通道。在級聯(lián)模式下，自動排序器將變成16通道。16個采樣通道可編程位順序模式和同步模式。對于每個通道而言，一旦ADC轉換完成，將會把轉換結果存儲到結果寄存器(ADCRESULT)中。自動排序器允許對同一個通道進行多次采樣，用戶可以完成過采樣算法，這樣可以獲得更高的采樣精度。同時還可利用事件管理器的定時中斷來定時啟動94T轉換-進行實時采樣。對于轉子位置和速度的檢測，F(xiàn)2812的每個事件管理器 EV都有一個正交解

14、碼脈沖電路 QEP（Quadrature Encoder Pulse）。該電路可對兩個引腳 CAP1/QEP1 及 CAP2/QEP2 上的正交解碼輸入脈沖進行編碼和計數(shù)。所謂正交解碼脈沖是 具有 90度固定相移和頻率變化的兩個脈沖。當電機軸上的光電編碼器產(chǎn)生正交編碼脈沖時，將兩個脈沖分別送入正交編碼電路輸入引腳，通過 QEP 檢測兩個序列的先后（GPTXdir），就可以確定電機的轉向。通過脈沖計數(shù)和脈沖頻率可以測出角位置和速度。4.3 好處三DSPF2812用于電機控制的最突出優(yōu)點的就是PWM波的輸出。之所以說是最突出的優(yōu)點，因為F2812由兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個事件管理器包

15、括通用（GP）定時器、全比較器PWM單元、捕獲單元及正交脈沖編碼電路。在電動機控制系統(tǒng)中，PWM信號控制導通和關斷功率開關器件的時間來將所期望的電流和能量提供給電動機繞組，從而可以控制電動機的轉速和轉矩。每個事件管理器模塊可同時產(chǎn)生多達8路的PWM波形輸出。由3個帶可編程死區(qū)控制的比較單元產(chǎn)生獨立的3對（即6個輸出），這6個特定的PWM輸出引腳可用于控制三相交流感應電動機和無刷直流電動機。以及由通用定時器比較產(chǎn)生的2個獨立的PWM輸出。為了產(chǎn)生PWM信號，可以先使用一個定時器來重復PWM的周期，用一個比較寄存器來存放調制值。定時器計數(shù)器的值（TMS320F2812的定時計數(shù)器有連續(xù)增、連續(xù)減、

16、連續(xù)增減等幾種計數(shù)模式）不斷地與比較寄存器的值進行比較，當兩個值相匹配時，相關輸出產(chǎn)生從低到高（或從高到低）的變化。當匹配產(chǎn)生或周期結束時，相關輸出會產(chǎn)生另一個變化（從高到低或從低到高）。輸出信號的變化時間由比較寄存器的值決定。這個過程在每個定時器周期按照比較寄存器不同的值（比較寄存器每次裝載不同的值）重復，這樣便產(chǎn)生了PWM信號。TCTR對稱/非對稱波形發(fā)生器SVPWM狀態(tài)機MUXDBTCONA死區(qū)定時器控制寄存器死區(qū)單元ACTRA全比較控制寄存器輸出邏輯COMCONAPWM1PWM6TxCON圖4 PWM的產(chǎn)生電路框圖圖4為PWM的產(chǎn)生電路框圖，具體實現(xiàn)如下：1）通過設置定時器控制寄存器（

17、TxCON）來確定采用連續(xù)增/減計數(shù)模式（或其他模式）。用周期寄存器T1PR設定PWM周期，用比較寄存器CMPRx設定PWM輸出寬度。計數(shù)器按設定的時間單位連續(xù)向上技數(shù)，當計數(shù)到設定的峰值時，計數(shù)器立即向下計數(shù)則生成三角載波。在計數(shù)器計數(shù)過程中，如果設定的比較寄存器的值與計數(shù)器的值相等時，PWM脈沖輸出端口自動輸出高電平或低電平。2）通過設置比較方式控制寄存器（ACTR）的配置位，可分別設置6個PWM脈沖輸出端口電平為：強制高/強制低/高有效/低有效（根據(jù)功率器件的特性來定）。3）通過設置比較控制寄存器（COMCONX）配置成“使能全比較”的PWM模式，確定各路PWM脈沖輸出端口間為哪一種切換

18、方式：當計數(shù)器的值為零時切換；當計數(shù)器的值等于設定的峰值時進行切換；立即進行切換。在每個PWM周期中，根據(jù)不同的調制值來設定比較寄存器，就可以產(chǎn)生不同寬度的PWM信號。而在許多電動機、運動及電力電子應用中，常將兩個功率器件串聯(lián)到一個功率轉換器的引腳上組成一個橋臂，同一橋臂的上下兩個器件絕對不能同時導通，否則會發(fā)生短路。這就引入了死區(qū)的概念，死區(qū)時間經(jīng)常被插入到一個器件的關閉和另一個期間的開啟之間，防止在任何操作下，每個單元產(chǎn)生的兩路PWM信號同時打開被控功率橋的上下臂，即橋臂直通。所以還有第4步。4）通過相應的16位死區(qū)控制器DBTCON可設定死區(qū)時間、使能或禁止死區(qū)定時器。死區(qū)定時器有三個，分別對應三個全比較單元的三對PWM通道。設定死區(qū)時間并使能死區(qū)定時器后，可在相應的一對(兩路)PWM輸出時插入死區(qū)時間，以保證兩個被控器件無重疊地開啟。下圖5就為比較單元和PWM電路產(chǎn)生非對稱的PWM波形。圖5比較單元和PWM電路產(chǎn)生非對稱的PWM波形5 總結電機控制專用DSP芯片的出現(xiàn)，給電機調速裝置的設計帶來了極大的便利。這些芯片控制功能強，保護功能完善，工作性能穩(wěn)定，組