永磁同步电机电驱动教研平台

林立，刘凡

（1.多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南邵阳，422000；2.邵阳学院 电气工程学院，湖南邵阳，422000）

0 引言

数字信号处理器（DSP）具有实时性强、精度高、速度快、可扩展性强、产品线丰富等优点。随着性价比的持续提高，DSP已广泛应用于通信、家电、仪表仪器、汽车电子系统、高性能电机控制和工业控制等领域[1-2]。

在我国教学仪器行业标准《JY0001-2003 教学仪器产品一般质量要求》中，将教学仪器解释为：“反映教学理念，主要在教学中使用的器具和装置”[3]。优秀的自制教研装置为学生开展探究性学习、自主实验和创新实践提供了先进手段、开放平台和优质资源，既提高了人才培养质，又给实验室建设与实验教学改革注入了新的助力，活力，动力和实力。

经过市场调研发现，目前国内高校现有教研装置大多为模拟电路，存在设备灵活性差、程序固化、通用性不强、可扩展性差、参数分布性大、测量精度低、可靠性差、维修不便、环境适应性差、占地面积大、价格昂贵以及实验效果不理想等问题。目前的永磁同步电机实验平台还需要进一步的完善和提高[4]，为此我们自主开发了一套基于DSP的永磁同步电机电驱动教研平台。鉴于DSP在电机控制[5-6]中的重要作用，而控制器的性能与控制算法息息相关，必须用实验进行控制算法的验证[7]。因此，应制定相关实验内容，例如永磁同步电机矢量控制实验。该平台可满足高校电气类、自动化类、信息类和机电类本科高年级专业相关课程的课程实验、课程设计、毕业设计、创新创业项目和教师的科研需要。

1 永磁同步电机电驱动教研平台

本永磁同步电机电驱动教研平台通过对三相交流永磁同步电机（以下简称永磁同步电机）的控制算法研究，并采用层次化、模块化的思想进行系统规划、设计和数据信息管理，使得系统的结构更加开放，进而解决现有系统开放程度较低，通用性较差的问题。设计理念是直接由数学公式与逻辑关系等建模而自动生成控制代码。使用虚拟可视化平台（Μatble/Simulink）对控制算法的原理进行仿真验证，为了规避传统手工编程需重复调试的弊端，利用代码生成技术将Simulink模型生成C代码，通过该教研平台进行半实物仿真，验证与原模型执行效果的一致性。为以后进行各种先进控制算法的研究和实践提供平台。

1.1 教研平台总体结构设计

平台的核心控制器采用TI公司的TΜS320F28335芯片，该 DSP芯片具备一个能够支持32 位浮点运算的32位定点数字信号控制器，其内部具有针对电机调速系统的捕获、PWΜ、ADC 以及编码器等模块，是电机控制系统常用的控制芯片[8]，图1所示为教研平台总体结构框图。

图1 永磁同步电机电驱动教研平台总体结构框图

平台总体结构釆用模块化设计，按功能划分为主电路、驱动电路、检测电路、控制电路、保护电路等几个独立的部分，既可以将强、弱电分开隔离，增加外围保护电路可提高系统安全性；又有利于模块移植，提高其可移植性。

1.2 教研平台的硬件组成

经多次讨论修改，教研平台实物图如图2所示。整个教研平台硬件分为七个部分：①220V开关电源；②15V开关电源；③空气断路器；④DSP芯片;⑤仿真器；⑥功率模块实验板；⑦保险丝。其中功率模块实验板为自主研制，在Altium Designer环境下绘制电路原理图和PCB图，经制板、焊接、调试而成。

主电路为PWΜ电压型逆变器，与开关电源隔离的电源输出分别为驱动电路和控制板供电，为保证驱动与控制的相互隔离，采用光电隔离电路于PWΜ信号与驱动信号间，另外检测交流侧的电流和直流母线电压的部分采用霍尔传感器来实现。控制电路由DSP最小系统、外设与驱动电路组成。DSP最小系统包括DSP芯片本身、复位电路、晶振和仿真接口；外设包括PWΜ模块，捕捉模块，正交编码模块，AD采样模块及串口通信模块等控制系统中所必须的所有外设；驱动电路用来控制逆变器开关器件即绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的通断。得益于这种硬件结构，令平台在系统控制和检测方面具有很强的韧性，可适应大多数电机的各类控制算法。

系统保护电路包括过压、欠压保护、限流起动、故障保护、泵升电压控制等。当电机在制动过程中处于发电状态时，会形成泵升电压，妨碍运行，使用泄放回路预防这种情况。过压和欠压保护是依靠检测直流母线电压，并将规定值比较，以保持电压稳定。限制电流启动的目的是预防起动时产生的瞬时电流损坏二极管，依靠串联一个限流电阻在整流桥和滤波电容之间，在合适的时机短路该电阻保证主电路正常运行。系统内置故障检测电路，包括过热、过流和过压等。系统可以在DSP故障停止输入端检测到上述故障信号时进行中断处理，然后阻断DSP PWΜ波的输出。

1.3 教研平台的软件设计

平台的软件设计由DSP的开发平台程序和个人电脑端的监控界面组成，利用图形化编程语言LabVIEW与可视化仿真工具ΜATLAB/simunlink两部分配合实现。

由于平台采用模块化设计，软件设计的一般流程为：初始化，主循环程序，中断。利用串口通信中断，实现在监控界面上显示在程序循环中需要观察的变量值，并且发送用户想要输入的控制给定值。图3所示为平台软件流程。

图 2 永磁同步电机电驱动教研平台实物图

图3 平台软件流程图

平台软件设计各模块描述如下：

(1)F28335初始化：ev事件中断、初始化I/O引脚、SCI、AD、系统寄存器、PWΜ中断等初始化；片上振荡器与锁相环模块设置。

(2)程序变量初始化：直流母线电压输入、电压矢量电流角频率、额定角频率、电压矢量、电压矢量电流角、电压矢量角频率、额定电压，切换周期和其他程序变量。

(3)监控模块初始化：串口端、波特率、数据位、校验位、停止位、串口缓冲区等初始化。

(4)主程序是响应其他中断服务的一个死循环。

(5)中断保护模块：包括中断优先级、中断向量表的配置，CPU中断寄存器、外设中段寄存器的读写。触发保护时，驱动芯片硬件阻止PWΜ输出，并进入中断程序、功率模块实验板上红灯报警程序和关机程序。

(6)定时器中断使用CPU定时器。32位的计数器从周期寄存器中装载数据，每经过定时器预分频器的高8位+1个周期，计数器的值减1。在中断服务程序中，包括加减速、电流和线电压的采样计算，SVPWΜ以及坐标变换的计算过程。

(7)串行口中断设计功能是与PC机交换数据，实现界面显示和参数变量在线修改。

其UI界面如图4所示。其功能为：①可同时显示六通道波形，并可根据需求，更改数据幅值显示范围。②DSP控制板内存变量的在线修改：以实现电机控制的各种给定量的在线设定、电机控制调节器参数的调整、电机的运行控制等。

图4 PC机端监控界面

本例采用CCS（Code Composer Studio）软件进行编程，CCS是一种针对TΜS320系列DSP的集成开发环境,可在线观测程序的中间变量，还可随时修改控制环节的参数，以此设计实验使学生通过实验直观的感受各控制环节、各参数在控制策略中产生的影响，并可供算法研究获得最优算法。

2 在永磁同步电机控制系统开发中的应用

永磁同步电机调速系统客观来说属于高阶的、非线性的、强耦合的系统。目前比较常见的高性能的永磁同步电机控制方法是磁场定向控制（FOC），即矢量控制，本例的永磁同步电机矢量控制系统是以转子磁极位置定向，且励磁电流分量为零的控制系统。

该平台已成功地应用于永磁同步电机的矢量控制系统教学和产品开发项目。以永磁同步电机矢量控制系统为例验证该教研平台的有效性。表1为实验电机的参数。图5为矢量控制策略PWΜ中断服务函数，图6为永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，通过代码生成功能将其转化为C代码程序，运行在CCS软件开发平台下通过该教研平台控制实验电机。图7为教研平台矢量控制策略下永磁同步电机控制的实验结果。

表1 永磁同步电机的参数

图5 矢量控制策略PWM中断服务函数

图6 永磁同步电机矢量控制仿真模型

图7 矢量控制策略实验结果

3 结语

设计开发了一套基于 TΜS320F28335 的永磁同步电机电驱动教研平台，该系统可以由浅入深地为学生提供电流采样、光电编码器测速、电机启停、电机调速、模型在环、软件在环、处理器在环、快速原型开发、硬件控制器在环、永磁同步电机矢量控制、永磁同步电机直接转矩控制等多种类型的实验，具有较高的开发度、便携性、性价比、教学针对性、易上手的特点，方便学生熟悉并掌握DSP和运动控制相关技术，可以在教学实践中取得较好的应用效果。