基于TMS320F2812的永磁同步电动机矢量控制系统设计

吴一鸣，刘景林

（西北工业大学 陕西 西安 710072）

这些年来，由于集成电路与计算技术的发展，同时伴随着耐热性及磁性能较高的稀土永磁体的发明与应用，越来越多结构简单的永磁同步电动机矢量控制器被广泛应用于机器人及数控机床等领域。众所周知，永磁同步电动机拥有这几个特点：损耗低、体积小、重量轻、运行较为可靠、结构简单、功率因数高[1-2]，在一些对精度、动态性能及体积限制要求较高的场合，永磁同步电动机（PMSM）伺服控制系统相对于其他类型电机的控制系统有明显的优势。本文主要介绍以TMS320F2812为核心的永磁同步电动机矢量控制系统。

1 永磁同步电动机矢量控制策略

1.1 永磁同步电动机数学模型

众所周知，永磁同步电动机的定子是三相对称绕组。通常，我们按照电动机惯例对各物理量的正方向进行规定。

在建立数学模型之前，我们需做出以下几个假设[3]：

1）转子上永磁体产生的空间磁场分布为正弦波，同时，在定子电枢绕组中所感应的电动势也为正弦波；

2）假定磁路线性，这时我们需要忽略定子铁心的饱和现象，此外，定子绕组的电感参数不变；

3）忽略铁芯的涡流与磁滞等损耗；

4）转子内没有嵌放阻尼绕组。

经过Clarke和Park坐标解耦变换，我们可以得到永磁同步电动机的电压方程为：

1.2 矢量控制策略

从图1可以看出，这是一个电流内环、转速外环的双闭环系统[4]。要实现永磁同步电动机的矢量控制策略，首先，需通过相电流检测电路提取iA，iB，经过Clark变换将它们转换到两相静止坐标系中，计算出iα和iβ，由 Position Sensor的反馈值θ计算出sinθ和cosθ，进行Park变换，将它们转换到旋转坐标系中，从而计算出id和iq；之后，根据检测到的电机转速和输入的参考转速误差，利用转速和转矩的关系，通过转速控制器ASR计算得到定子电流iq的参考输入iqref；然后将id、iq分别与参考输入idref、iqref相比较，误差在通过电流控制器ACR的计算后， 得到 Vd、Vq的参考值 Vdref、Vqref； 最后， 通过Park逆变换得到Vαref和 Vβref，由 SVPWM模块输出的 PWM 波来控制三相逆变器，从而控制定子三相对称绕组的电流。永磁同步电动机矢量控制系统的原理图如图1所示。

图1 永磁同步电动机矢量控制原理框图Fig.1 Layout of the vector control system of PMSM

2 硬件设计

2.1 硬件总体结构

本系统硬件构成框图如图2所示，主要包含控制板、功率驱动板和辅助电源板3大部分。整个控制器以TMS320F2812芯片为核心再配以简单的外围电路，系统的速度控制和电流控制功能均采用软件实现。

图2 永磁同步电动机矢量控制系统硬件总体结构框图Fig.2 Block diagram of the hardware of the control system

2.2 数字控制单元模块

TMS320F2812系列DSP被大家所熟知，它是一种32位的定点数字信号处理器，同时，由于它整合了DSP和MCU的最佳性能，使得在它在一个周期内即可完成一个32×32位乘法运算，或者两个16×16位乘法运算。此外，由于快速终端管理单元也被集成在DSP内，这样就会使得终端的输入延时大幅减小，可以更佳地满足实施控制的需求。由于2812系列DSP具有较高的性能，它可以在一个周期时间内完成对任一内存或地址的写入、修改或读取等操作，而且它自身还集成有多个缺省指令集，这些指令一方面可以使得程序开发变得更加简单，另一方面还提高了程序执行时的效率[5-6]。

2.3 电流检测电路

对于三相永磁同步电动机来说，当三相电流没有零序分量时（当电动机三相绕组是星形连接而中点不外接时此条件即可满足），由于iA+iB+iC=0，只要需将其中任意两路电流进行采样，即可得到全部三相电流的值。电流采样应用霍尔元件来采样主回路的信号，这个控制系统中选用的传感器型号为LA28-NP。TMS320F2812的芯片内部包含A/D转换模块，采样部分共有16路通道，转换最小时间为60 ns，然而由于其A/D转换模块所需输入为单极性 [0～3 V]，故需要将从LEM输出的电压信号转换成 [-1.5～+1.5 V]电压信号。然后再经过+1.5 V的偏移将其提升至[0～3 V]范围内，才可为DSP所接受，之后输入到12位的A/D转换器中，获得电机的实际电流值。本系统设计有二级管组成的限幅电路，防止电压过高或过低。电流检测电路如图3所示。

图3 电流检测电路Fig.3 Layout of the current sense circuit

2.4 机械位置检测模块

该模块可以将增量式光电编码器送过来的脉冲信号转换为转子轴的绝对机械位置，之后，其绝对的机械位置被存放在变量θm中。通过转子的一个已知位置，根据增量式光电编码器的数值就可以得到转子轴的绝对机械位置。

电动机每旋转一周，接收端就会产生1 024个脉冲，每个缝隙有4个边缘，2个通道各有1个上升沿和1个下降沿。即电动机每旋转一周，QEP就会检测到4 096个边沿数。QEP通过检测2个通道的先后次序，从而对转子转向进行判断。边沿数存储在T3CNT中，根据所选旋转的方向来确定T3CNT是增量式还是减量式。一旦选定了QEP模式，当T3计数器值超过FFFFh时，T3归零并重新计数。

光电编码器有A、B、Z三路输出信号，其中A、B两路信号的相位相差90°，Z信号又被称为零位信号，是每转输出一个脉冲的零位参考信号，光电编码器输出的三路脉冲信号在经过光电隔离和脉冲整形之后即直接送入DSP的QEP/捕获单元引脚。高速光耦（TLP550）用来实现数字电路和模拟电路的隔离，高速反相器（74HC14）用来对输入脉冲信号进行整形，脉冲整形电路如图4所示。

图4 脉冲整形电路Fig.4 The interface circuit of the optical encoder

2.5 电源供电电路

与一般的DSP不同，2812的上电次序是外围先上电，内核后上电，即3.3 V先上电，1.8 V后上电，TPS767D318本身并不具备自动控制3.3 V与1.8 V上电时序的功能，但是它为3.3 V和1.8 V各提供了一个使能引脚，可以分别使能。这是一个可以利用的途径。将3.3 V的使能引脚使能（接地），则上电时3.3 V正常启动。将3.3 V通过R1R2两个电阻合理分压后，驱动一个MOSFET（BSS138）的门极，如图 5中电路所示，1.8V的使能引脚被一个10 kΩ电阻上拉，当3.3V上电后，MOSFET导通，1.8 V的使能引脚才被拉低而使能。这样就保证了1.8V慢于3.3V而上电。即，外围3.3V先上电，内核1.8V后上电。

图5 电源供电电路Fig.5 The layoutof power supply of TMS320F281

3 系统软件设计

本系统采用DSP2812数字处理器作为核心控制芯片，该芯片主频高达150 mHz，满足控制系统需求。系统软件主要包括主程序、中断处理子程序和捕捉中断处理子程序3个部分。主程序在工作周期内不断地循环采样参考给定，如有中断发生，它会立即停止循环采样并对中断进行相应；定时器的中断处理子程序是整个控制系统中最核心的部分，系统的闭环控制计算及PWM波的输出任务都由它来完成，它在每一个PWM周期完成时进行一次电流环的采样和控制 （对速度环的采样控制周期为10个PWM波），然后在一个PWM周期剩下的时间内空循环；本系统有两个捕获中断：CAP3_ISR和CAP6_ISR，捕获中断3用来捕获光码盘的正交编码脉冲信号，然后进行T法测速，之后便于进行速度显示，Z脉冲信号可以触发捕获中断6，它用来矫正角度计算的基准值和初始位置角θ0。主程序、定时器中断程序和捕获中断程序的框图如图6所示。

4 仿真及实验研究

首先，根据实验室内一台5.5 kW的内嵌式永磁同步电动机的电气参数在Matlab中搭建其模型，以额定转速3 000 r/m in进行启动升速，大约在2.2 s左右即可稳定在额定转速，稳速后，在3 s时加载额定转矩17.5 Nm。从图中可以看到加载时及之后转速较为平稳，一直稳定在3000±30 r/min。可以看出，永磁同步电机矢量控制系统具有较好的动态响应特性和速度控制特性。转速图如图7所示。

图7 额定带载下的转速-时间曲线Fig.7 The relationship between n and t under rated condition

之后，选取该样机利用加载台对其进行额定状态下的加载测试，该电机定子三相电流如图8所示，其中，电流钳选取10 mV/A档位，示波器每格对应电流50 A，可以观测到三相电流峰值约为25 A，此外，可以看出三相电流波形正弦度较好，说明电机额定带载运行很平稳，控制器满足实际要求。

5 结束语

文中在简要介绍了永磁同步电动机的数学模型基础上，分析了永磁同步电动机的矢量控制原理及控制方法，重点介绍了TMS320F2812处理器的特点，详细叙述了控制系统的硬件构成，另外对此控制系统的软件设计进行了介绍，最后利用5.5 kW的样机对该控制系统进行了测试，实验表明此控制系统有较高的动态响应特性，电机带载时运行平稳，电流波形正弦度较好，控制器满足实际需求。

图8 额定加载下的三相电流波形Fig.8 Figure of the three phase current under rated condition

[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社，1997.

[2]李崇坚.交流同步电机调速系统[M].北京：科学出版社，2006.

[3]陈荣，邓智泉，严仰光.永磁同步伺服系统电流环的设计[J].南京航空航天大学学报，2004，36（2）:220-225.CHEN Rong，DENG Zhi-quan，YAN Yang-guang.Design of current control loop for permanentmagnet synchronous servo system[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，2004，3（2）6:220-225.

[4]董恒，王辉，黄科元.永磁同步电动机驱动系统数字PI调节器参数设计[J].电气传动，2009，39（1）:6-9.DONG Heng，WANG Hui，HUANG Ke-yuan.Design of PMSM drive system digital PIadjuster parameters[J].Electric Drive，2009，39（1）:6-9.

[5]苏奎峰，蔡昭权，吕强，等.TM S320F281x DSP应用系统设计 [M].北京:北京航空航天大学出版社，2008.

[6]苏奎峰，吕强，耿庆峰，等.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社，2005.