自制嵌入式运动控制学习开发系统

李永越，刘润杭，郝赫，周玉，吕佳奇，马骏杰

（哈尔滨理工大学荣成学院，山东威海 264300）

专业实验教学是培养大学生尤其是理工科大学生综合能力和提高理工科大学生综合素质的最重要手段之一。随着科技进步和社会发展，以及学科发展和专业调整，专业知识更新较快、专业教学内容变化较大，需不断创新和解决的问题较多，培养专业实践技能的仪器设备需要不断更新。高校现行的实验教学管理运行机制和专业实验教学仪器设备等条件，普遍难以满足专业实践综合动手能力和创新意识培养的要求，与高校高素质创新人才培养要求的矛盾日显突出[1-2]，因此，需自主研制实验教学仪器设备来提升专业实验教学水平[3-5]。

1 实验教学平台设计

1.1 技术路线

项目组将采用先进、可行的研究方法和步骤。遵循图1 所示的技术路线进行研究。

图1 技术路线

1.2 基于Matlab虚拟实验平台的搭建

Matlab 作为自动化、电力电子技术、电机学主要的虚拟仿真环境，在项目开发时为工程师节省了很多时间[6-7]，将虚拟环境下的仿真模型无缝地切换到真实的数字平台运行是目前研究的重点。不少高校及研究单位已经购买了基于F28x 的虚拟仿真环境，但价格极其昂贵，不具备推广性，因此，自主开发一套便于实现和推广的基于Matlab 虚拟环境下的数字化代码仿真平台迫在眉睫。

基于正在进行的国家级大创项目《全数字可视化异步电动机变频调速系统》（项目号：201910214004）的基础上，进一步优化Matlab 虚拟代码仿真在电力电子数字化开发中的应用技术。利用已搭建的开放式Matlab 虚拟环境直接仿真DSP 真实代码，模拟DSP 代码在硬件中的执行情况。优化建立CCS 与Matlab 关于COFF 格式文件间的数据传输通道及M语言与C 语言之间的逻辑。基本原理如下：

DSP 盒以Matlab 的S-Function Block 为 基础进行虚拟构建，并且加以封装，使用固化的外部输入输出信号作通道，将虚拟DSP 与代码进行对应。即代码编译通过后将可执行文件（.out）直接加载到Matlab的模型中进行仿真。这种做法的优点很明显，仿真时只需修改目标代码，通过后该代码可直接用于样机实验；由于信号已经同固化函数进行对应，数学模型就像黑盒。

1.3 嵌入式运动控制学习开发系统的构建

嵌入式运动学习开发系统以DSP 为核心，搭建数字化控制系统，驱动电路采用光耦隔离的分离式结构，功率开关器件避免了SCR 等电流控制器件体积大、驱动电路复杂等缺点，采用高压、大电流压控式IGBT，以减少硬件系统的体积，提高硬件系统的功率密度。主电路采用电力电子中主流的交-直-交拓扑结构；加载SPWM、SVPWM、VVVF 等控制算法，通过外部调频调速按钮，实现三相异步电动机的调速。

1.3.1 基于IR2110的自举电路

采用常规的光电隔离和变压器隔离驱动方式时，有一个共同的缺点就是需要辅助电源。当驱动多个IGBT 或MOSFET 等功率器件时，驱动电路的设计主要考虑上桥驱动电源的浮地问题[8-9]。解决这个问题有两种方法：一种是多电源驱动方式，缺点是增加了电源数量，增加了成本；另一种是采用自举技术，如图2 所示。

图2 自举电路

当上管V1关断，下管V4导通时，N点电位为＋15 V电源，M 点为＋15 V，若忽略二极管D1的导通压降，则自举电容C5的电压为＋15 V；而当上管V1导通，下管V4关断时M 点的电压为Vdc，而N 点电位由于自举电容C5电压不能瞬变，N点瞬时电位为（Vdc＋15）V，则自举二极管D1承受反压关断，从而保护＋15 V 电源。自举二极管需采用高耐压的快速恢复二极管，该例中D1采用FR107（反向耐压700 V，1 A）。自举电容C5需采用较大电容值（系统取为100 μF），在载波频率为20 kHz 的条件下自举电容的电压波动不超过100 mV，从而保证上桥功率开关管能够安全、可靠地运行[10-12]。

IR2110 的优点有以下两点：

1）自举悬浮驱动电源，可同时驱动同一桥臂的上、下两个开关器件,可驱动500 V 主电路系统,工作频率高，能达到500 kHz；

2）驱动电路简单，典型应用电路如图3 所示，图中采用5～20 V 电源（VDD），用于TTL 和CMOS 逻辑信号输入，图中VCC为门极驱动电源，一般在10～20 V 左右。COM 与VSS的连接使VDD与VCC可共用同一个典型值为＋15 V 的电源，为后者起到了良好的路径。

图3 IR2110典型应用电路

在图2 中，C2是一个自举电容器，VCC给D1、C2、负载、VT2充电，以确保T1管的栅极通过由C2提供的能量来驱动，从而实现自举驱动。由此可见，T1在周期内，每开关一次，C2就会受到影响，并且会在同周期内通过T2开关充电一次，由此可见，输入信号HIN、LIN 的PWM 脉冲频率和脉冲宽度也会通过每个周期的开关，进而影响自举电容C2的充电。当PWM 在低频下工作时，T1导通的脉宽较窄时，很容易满足自举电压8.3 V；反之，则无法实现自举。因此，必须合理设置PWM 开关频率和占空比的调整范围。实际，自举电容上的电压仅为电源电压VCC，电荷以及最长的导通时间会限制电容[13-16]。

1.3.2 简化SVPWM发波算法

传统SVPWM 算法需坐标变化和复杂的运算，经研究，提出了一种偏置的SVPWM发波算法，原理如下：

为了新的发波算法，首先将偏置电压voffset(t)与式（1）相电压结合，波形如图4 所示。

图4 加入偏置电压所得波形

在三相给定为正弦波的情况下拟合出三次谐波，如图5 所示。阴影部分就是通过三相平衡正弦波拟合出的偏置电压。

图5 voffset(t)的生成

同理，先取三相载波电压的最大值和最小值，如式（3）所示：

电压偏置分量如式（4）：

由此，可以得到新颖的偏置型PWM 发波算法控制框图，如图6 所示，仿真模型如图7 所示，仿真结果如图8 所示。

图6 偏置型PWM发波算法控制框图

图7 仿真模型

图8 仿真结果

1.4 控制器的小型化、全数字化、便携式的研究

在已经结项的国家级创新训练计划《虚拟环境下DSP 真实代码仿真技术在三相四桥臂电路中的研究》(项目号：201710214018)的基础上开发下一代控制装置。充分发挥DSP的数据运算能力，通过软件方式合理高效地利用片上资源，减少硬件设计成本。除此之外，DSP和FPGA 具有灵活多变的代码烧录、软件升级方式，不仅可以现场升级代码，还可以在异地通过网络通讯的方式进行升级，为系统提供了多种保障。

1.5 实验教学平台

实验教学平台实物图如图9 所示。

图9 实验教学平台实物图

2 实验教学平台优势

2.1 优化电路布局

将信号级与功率级电路进行优化布局，并将DSP 最小系统与主控板设计成可插拔结构，推出了适合主控板的F28335 产品和F28004 产品。

2.2 加强系统集成

实验教学平台在硬件电路的设计中采用集成化、口袋化设计，例如采用“自举电路”设计，将前两代产品中所需的体积庞大的IGBT 驱动电源进行了集成。在整套系统尺寸大小不足B5 纸的情况下依旧满足实验要求，电机调速功率达到2 kW。

2.3 采用虚拟仿真技术提升效率

为加速软件开发，该系统配套开发了具有自主知识产权的DSP 真实代码仿真技术。通过在Matlab中建立的C28x 内核，直接模拟DSP 代码在硬件中输出波形，通过Matlab 观测波形，进而使DSP 中的程序得到可观的验证。

2.4 打造开放式系统

该系统提供多套控制代码，在硬件上预留了可选通逆变器、LC 滤波器及传感器的接口，为用户提供了并网逆变器控制的硬件平台。此外该系统还支持多类型电机接口、并引出DSP 片上所有的88 路GPIO 信号，为用户提供了二次开发的可能。

2.5 更利于进行实验设计

实验教学平台的实验开发板是“三合一教学板”，既可以满足基本DSP 教学实验，例如，GPIO 实验、串口实验、CAN 收发实验、ADC 实验、SPWM 算法以及按键输入实验，也能进行三相逆变实验、异步电机调速实验。

3 结束语

实验教学平台的设计能够让实验和教学平台得到融合，使学生对实验的理解更加深入，让教学内容更加丰富。自制嵌入式运动控制系统的设计，既可以满足现代教学发展的需要，又能融合到现代的实验中，能让学生体验到设计专业实验方案，亲自动手解决问题，能够让学习更加具有系统性。利用专业所学，在实践中务实理论知识，提高专业素质，为今后的学习和工作沉淀经验。因此，根据自身需要研制出开放、灵活的教学仪器供学生使用，更有利于人才的培养。

该项目以自制实验教学仪器为背景，通过搭建开放式Matlab 虚拟环境DSP 真实代码仿真平台，利用新颖的SVPWM 发波算法，以主流DSP 为核心构建嵌入式运动学习开发系统，该系统设计了基于IR2110 的“自举电路”，解决了桥驱动电源的浮地问题，并且具有小型化、全数字化、可视化、便携式的优点，有利于学生在实践探索中进行自主学习。且该嵌入式运动学习开发系统已经用于我校电气工程专业《运动控制系统》课程的实验教学环节，性能稳定且反馈良好。该系统还可用于《电力电子技术》、《电源变换技术》、《DSP 原理与应用》、《电动汽车新技术》等多门课程的实验教学环节，能够更好地实现教学仪器和专业实验教学内容的有机结合，值得推广。