基于DSP56F805的交流电机驱动控制试验平台

１基于DSP56F805的交流电机驱动控制试验平台比赛编号：B-10278日期：2002年10月姓名：胡楷(中文)HuKai(英文)职业：博士研究生通信地址：湖南省长沙市国防科技大学3院324教研室邮编410073电话：[phone](O)0731-4420588(H)13873131078传真：[phone]E_MAIL：[e-mail]@wkoda.com作者单位：国防科技大学机电工程与自动化学院２内容目录一引言····················································3二系统总体方案设计········································31．系统设计目标········································32．系统设计原则和思路···································43．系统组成结构和总体框图·······························4三系统的硬件设计···········································41．DSP模块和通信模块···································52．接口模块·············································73．操控模块·············································8四．系统的软件设计··········································81．电压型v/f恒定SPWM算法·····························82．转子磁链定向矢量控制·································103．龙格库塔算法·········································11五．结束语··················································12附录ADIN96管脚的定义······································13附录BCPU板和基板的电路图··································13参考文献····················································14３基于DSP56F805的交流电机驱动控制试验平台胡楷国防科技大学机电工程与自动化学院［410073］摘要：本文介绍了一种通用的交流电机驱动控制实验平台。该平台基于数字信号处理器DSP56F805，以模块化和开放式的系统结构，设计出一个高度可用和性能先进的实验平台，可以进行多种电机控制及电力电子技术的研究性和开发性实验。关键词：PWM磁场定向控制龙格库塔方法一引言在电气传动领域中需要调速的应用中，一直都是直流调速系统占主要地位。但是由于本身结构和工作原理的制约，直流电机的转速和功率很难提高，体积大、成本高、维护困难。而交流异步电机没有上述的缺陷，并且随着电力电子技术、微电子技术和机电控制方法的快速发展，交流电机的调速性能已经能和直流电机媲美，因而交流传动系统在应用中占居主要地位。交流控制算法愈益复杂，对控制系统CPU的运算能力要求非常高，面对这样的趋势，传统的8位和16位通用型单片机已经不再适用，新的系统设计普遍应用以运算能力著称的数字信号处理器（DSP），以加强系统的运算能力和实现复杂算法的可能性。DSP56F805是MOTOROLA公司适用于交流电机控制的专用DSP，它的推出和应用给交流传动技术带来新的机遇，同时也给开发人员带来了新的挑战：由于DSP本身较复杂，学习和掌握DSP对开发人员来讲较为棘手，因此设计一个通用的、基于DSP的交流电机控制试验平台，可以帮助硬件开发人员迅速的掌握DSP的开发使用，同时使软件开发人员可以专注于算法的优化，大大提高开发新产品的速度和能力。同时该试验平台提供丰富的硬件和软件资源，使得该平台还可以作为产品前期开发或新的控制原理验证的工具，对生产商来说可以大大缩短新产品开发周期、减少开发新产品的风险，对国家来讲可以迅速的体升本行业的技术等级和产品竞争力，对整个工业生产体系具有巨大的推进作用。二系统总体方案设计1．系统设计目标用DSP56F805（以下简称DSP）实现一个通用的交流电机变频控制系统平台，应具有先进、完备的功能，模块化的结构和良好的可扩充性，可靠的稳定性，方便的调试手段。能够进行的实验包括：目前常见的通用SPWM、SVPWM等各种电压型或电流型调制方法的实验，在附加额外的硬件后，能进行软开关PWM调制方法试验有足够运算和控制能力，可以单独进行直接转矩控制，间接矢量控制和直接矢量控制实验在PC机的帮助下，可以进行更复杂的控制算法如自适应控制、解耦控制、滑模变结构控制等实验，可以实现实时参数辨识实验，可以采集系统运行数据作进一步的研究４2．系统设计原则和思路系统由硬件和软件两部分组成，其中主要是硬件部分，软件部分只提供两个电机控制方法的例子，一个是传统的VVVF变频调速SPWM调制方法；另一个是转子磁场定向控制方法的实现方法。在实际设计中，主要考虑以下几个因素来确定系统的设计原则。作为试验平台，功能的完备性相当重要，因此系统的硬件资源必须足够丰富。首先是对矢量控制来说，磁链的观测十分重要，现在的各种磁链辨识算法，要求电机的电压、电流、转速等必须可测。其次对于PWM电路来说，不论是电压型逆变器还是电流型逆变器，既要有各种常见通用的控制功能，也要求灵活的变化能力，以适应不同的电路拓扑和再生制动时的特殊开关模式。最后，对于成熟的变频产品来说，测量母线电流和母相电压，以及电机和功率器件的温度都很重要，这些也需要单独的测量电路。系统在功能上采用模块化设计方法，分成几个相对独立的部分，这样就把弱电部分和强电部分分开设计，中间通过不同的接口单元连接，可以把不同的控制方法与不同的功率容量方便的组合。同时可以在实际产品开发中，把技术成熟的试验平台的某个部分直接拿来用。在实际的产品中，采用此种思想设计的产品可按照客户的要求，组合不同的产品，降低用户的拥有成本。作为试验平台，良好的人机界面非常重要。因为在嵌入式系统中作复杂的显示和参数采集、处理的工作不方便，所以试验平台还必须具有与PC机通信的能力。有了这种功能，可以实时的把电机的运行参数传到PC机上，不但可以保存下来做进一步的分析，甚至可以通过MATLAB的REAL-TIME工具箱或类似的软件，进行参数的实时处理，比如自适应参数辨识和神经网络控制等无法用DSP实现的算法，都可以方便的实现，然后传回DSP，实现更复杂算法的实时控制功能，这对于科研人员来说是具有诱惑力的。3．系统组成结构和总体框图综合以上的要求，整个系统按照功能划分为4个必备部分和数个可选部分，各部分通过DIN96欧式插座插针连接，除必备部分外，可以通过加入不同的可选模块来增加功能。图一中位于中间位置的四个部分是变频调速系统的必备功能部分,两侧是可以选择的模块。对于本试验系统来讲，重点在于设计一个学习和掌握DSP用法以及研究电机控制算法的平台，所以DSP模块和接口模块的设计是主要的，驱动保护和功率器件采用西门康公司的智能功率模块IPM，可靠性高，使用简单，显示模块可以通过PC机上的PCMASTER图1系统总体框图完成。三系统的硬件设计如上节所述，整个系统的硬件有7部分组成，其中显示部分采用PC机应用５PCMASTER完成、驱动保护和功率器件采用IPM，其余的4个部分由4块电路板组成，通信和DSP模块由两块板完成，分别是CPU板、基板；接口电路由接口板、操控模块由面板完成各自的功能。1．DSP模块和通信模块DSP模块是系统的中心，负责完成所有的信号采集、计算、通信、显示驱动、决定控制策略等工作。其中需要采集信号包括电机三相定子电流、电压，电机的转速信号、母线电流电压、电机温度等。通信的部分为RS-232异步串行口和CAN总线，由于MATLAB的REAL-TIME工具箱支持RS-232而不支持CAN，所以通信工作主要由RS-232完成，CAN接口只是保留接口引线。由于通信模块很简单，相应的电路就布置在DSP模块的电路板上。另外，DSP模块还为操控模块和接口模块提供相应的IO引脚。电路图见附录二。DSP模块由两块电路板组成，一是CPU板，共有3个功能单元。DSP56F805作为CPU，所有的引脚除去19个电源和地信号、6个JTAG信号外，其余的都通过30*4的双排针插针引出。第一个功能单元是用GSI72116作为外部的程序和数据RAM，扩展了64K*16的ProgramRAM和64K*16的DataRAM。第二个功能单元是JTAG接口，通过10针的插座接出来，将来调试程序使用。第三个单元是3.3V电源，用TPS7333，它可以提供给CPU板500mA的电流。二是基板，它与CPU板通过30*4的双排针插座连接，把CPU板的信号引入，另外通过DIN96与系统的接口板连接(详细的连接信号见下文)。基板的主要功能是扩展CPU的外围电路，与系统的其他部分连接。他的主要功能模块有：A.地址译码。用一片GAL20V8实现地址译码，需要译码的信号见表一。DSP的片外的程序和数据RAM不能占满整个64K空间，而DSP一般工作在MODE0A和MODE0B模式，ProgramRAM占据0x8000开始的32K空间；DataRAM一般在EX=0模式下，占据0x2000开始的56K空间，在这56K的空间中，留出4K空间（0xf000到0xff7f）为IO端口空间。整个外部DATA空间由GAL20V8编码，A15-12四根地址线把64K的DATA地址空间分成14个4K的页面，IO占一个，外部RAM占13个，当DSP访问IO口时，就不选中外部RAM，这样可以区分IO空间和DataRAM空间。ProgramRAM和DataRAM以及IO空间都由MEMCE信号控制，这是一个反馈到CPU板的信号。DSP只有GPIOB和GPIOD是专用的IO口，共14根口线，不能满足系统的要求，又用两片74HC573和74HC574扩展了2个8位输入口和2个8位输出口，挂接在数据总线的低8位上，占据IO空间的4个地址，由573N1、573N2、574N1、574N2来控制。另外DSP的8个AD输入也满足不了系统要求，另外扩展了一片Max1290和Max1280作为补充，其中Max1290需要一个片选信号AD1_CS。表一GAL20V8的译码信号574N1输出口1574N2输出口2573N1输入口1573N2输入口2MEMCEDATARAM和IO的区分信号AD1_CSMAX1290的片选信号B.通信功能模块。DSP提供了两个SCI串口，一个SPI串口，还有一个６CAN总线接口。在基板上，用一片Max232驱动芯片配合SCI口实现了两个RS232串口，Max232有一对输入和一对输出，把RS232的信号电平转换成TTL逻辑电平。两路RS232串口各自通过一个SIP4的插针引出。利用SPI同步串口扩展了一个12*8的串行接口的ADC芯片Max1280。DSP的CAN总线接口只是实现了CAN总线的协议和逻辑控制，还要用专门的总线驱动芯片把TTL逻辑信号变成底压差分信号（LVDS），送到总线上才能与其它的CAN节点通信，在基板上的总线驱动芯片选用PHILIPS公司的P82C250。C.数据总线和PWM信号驱动。DSP数据总线的负载较多，尤其是低8位，需要驱动多达6路负载信号，为了保护DSP，并防止信号完整性的问题，低8位数据总线由一片74HC245缓冲，用RD信号作为其总线方向控制。DSP产生的PWM信号是3.3V电平信号，为了与接口板兼容用一片74HC244做总线缓冲，增加驱动能力，并用阻容