搜索
DSP芯片在交流电机控制中的应用摘要：通过研究交流电机的闭环控制系统，并结合永磁同步电机的控制系统框图，提出了运用电机专用DSP芯片TMS320F2812对交流电机控制所起到的作用和所实现的方便功能。由于现在的系统大多要求在多个电机和传动装置之间协调并精确地运动，因此导致现在的运动控制技术越来越复杂。使用DSP最明显的优点在于提高了系统的可靠性，并降低了整个系统的成本。另外，利用诸如DSP能直接产生PWM的软件技术，可明显降低由电磁干扰引起的噪声。关键词：DSP，交流电机，PWM,控制系统1引言在工矿企业中，电动机是应用面最广、数量最多的电气设备之一。因而电机的运动和控制与企业的产品质量和效益密切相关。而电机又分为直流电机和交流电机，现在随着变频技术的发展，特别是矢量变频技术的发展，已经可以用变频电机模拟成直流电机，从而已经有取代传统直流电机的趋势了，因此交流电机应用越来越广泛地同时也成为我们在电机行业研究的热点。早期交流电机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成；控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统控制非常不灵活、调试困难，因此阻碍了交流电机控制发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，特别是DSP等高速处理器的出现，使很多功能和算法可以采用软件来完成，为交流电机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能够达到更高的性能。2交流电机控制系统2.1直、交流电机的优缺点电机大体可以分为直流电机和交流电机，早期的电机行业，直流电机由于控制简单，调速平滑，只需改变输入或励磁电压电流就可以实现调速，性能良好，一直占据着主导地位。然而，直流电机结构上存在的机械换向器和电刷，造价过高，维护困难，使它具有一些难以客服的缺点。同时，人们把越来越多的精力投入到了交流电机中，交流电机结构简单牢固，制造成本低，便于维护，运行可靠，效率高，虽然自身完成不了调速，可控性有所欠缺，需要借助变频设备来实现速度的改变，但仍然阻挡不了交流电机在工业应用、日常生活和科技研发等领域广阔的应用前景。2.2交流电机闭环控制系统图1闭环控制系统框图如图1所示为交流电机的闭环控制结构框图，给定环节给定相应的给定信号，是用户给定系统的设定值，然后送到误差比较器。误差比较器的功能是将用户给定系统的设定值与系统反馈电路反馈回来的电机实际进行比较，从而送出一个误差信号。控制环节就是我们常说的控制器即微处理器，它的输入量就是刚才提到的反馈误差，输出量是PWM脉冲。控制器是整个控制系统的核心，它不仅要完成系统所需要的各种复杂的算法，还要发出PWM脉冲信号，驱动电机的运转。它通过内部控制程序，对输入接口输入的数据进行处理，完成控制计算等工作，通过输出接口电路向外围设备发出各种控制信号。这也是本篇报告要讲的核心内容。执行机构是电力电子器件（驱动电路），电力电子器件主要是作为功率开关使用，PWM脉冲信号加在驱动电路芯片的输入端，控制电力电子器件的开通和关断，电力电子器件与PWM技术结合，达到向电机提供所需要的不同极性、不同电压、不同频率、不同相序的供电电压的目的，以此控制电机的起停、转向和转速。而被控对象就是我们要研究的交流电机。闭环控制系统最大的特点就是反馈环节，在系统中引入检测环节并对其进行闭环控制，可从根本上解决系统的精度问题。检测环节可将检测到的实际位移反映给控制器，控制器根据检测到的运动部件的实际位移和速度状态，来调整输入脉冲的数量、频率，使电机稳定在正常运行状态，从而满足电机驱动系统的精度和可靠性要求。上面主要介绍了交流电机的工作过程，对交流电机的闭环控制系统做了详细给定环节执行环节控制环节被控对象测量环节被控量的介绍，这也是这个月份读书报告的一部分，也为了引出数字信号处理器（DSP）做了一些铺垫，接下来就要介绍DSP芯片在交流电机中的应用。本篇报告选用德州仪器公司（TI）2002年推出的专门用于电机控制的TMS320F2812芯片，并且以它在永磁同步电机中所起到的作用为例，来详细介绍DSP对未来电机研究的实用性及重要性。3DSP在永磁同步电动机中的应用由于矢量控制、直接转矩控制、无速度传感器控制、基于智能化的系统控制（如模糊控制、滑模变结构控制、人工神经网络控制）等新理论的应用，使交流传动中的控制算法越来越复杂。早期交流电机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成；控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统控制非常不灵活、调试困难。随着单片机技术的日新月异，特别是DSP等高速处理器的出现，使很多功能和算法可以采用软件技术来完成，为交流电机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能够达到更高的性能。图2基于TMS320F2812的永磁同步电动机的控制系统框图TMS320F2812是典型的集成DSP电机控制器，它广泛应用于三相交流感应电机、永磁同步电机、无刷直流电机等全数字矢量控制系统中。图2是基于TMS320F2812的永磁同步电动机的控制系统框图，该系统是一个包括位置反馈、速度反馈和电流反馈的三闭环系统。系统参数由PC通过RS-232接口传给DSP,DSP负责各相电流采样、转速采样，并计算电动机转速和位置信息，最后进行校正补偿处理，确定PWM脉宽系数，进而输出6路PWM信号，经过光电隔离电路后，驱动逆变器功率开关器件。同时，DSP还监视逆变调速系统的运行状态，当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时，执行中断，DSP将立即封锁PWM输出信号，使电动机停止转动。下面来通过TMS320F2812的芯片结构来介绍它在这个系统中怎样实现这些功能，又有什么方便的作用的。4电机控制TMS320F2812DSP芯片图3是TMS320F2812的体系结构框图，首先我们由框图来简单介绍F2812的内部构成。TMS320F2812是TI公司专门用于控制的一款高性能、多功能、高性价比的顶点32位DSP处理芯片。该芯片最高可以150MHz主频工作，并带有18K×16位零等待周期的片内SRAM和128K×16位的片内Flash。它还有3个独立的32位CPU定时器，以及56个可独立编址的GPIO引脚，还可外扩大于1M×16位程序和数据处理器。该芯片片上外设主要包括16路12位精度的ADC、2路SCI、1路SPI、1路McBSP、1路eCAN，以及两个事件管理器等。每个事件管理模块包括6路PWM、2路QEP、3路CAP和2路16位的定时器。图3TMS320F2812体系结构框图4.1好处一首先，DSPF2812用于电机控制一大优点就是速度快。电机控制对数据的处理速度和执行速度有很高的要求，更快的处理速度就意味着更强大的性能，更优越的应用。这里我们看F2812CPU的主频，主频越高，处理速度越高，而它的主频最高可达150MHz，而经典的C8051单片机才只有12MHz，TI的超级功耗单片机MSP430也只有最高可达25MHz。同时，TMS320F2812采用改进的哈佛结构，芯片内部具有6条32位总线;程序存储器总线和数据存储器总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，因此CPU的读/写可在同一周期内进行。其次，加上四级的流水线操作(即基本指令的取指、译码、读操作数和执行并行操作)使指令和数据能并行移动和同步执行,保证了灵活性,加快了执行速度,缩短了整个系统的执行时间。最后F2812中支持16×16位或者32×32位乘累加操作，这是信号处理器区别于其他通用微处理器的主要特征，也是实现实时数字信号处理的必要部件，这种硬件加强的方式大大提高了计算能力。这种高速运算能力使精确PID和多变量控制、自适应控制、参数估计、光谱分析、压缩/解压缩、神经网络、遗传算法等复杂控制算法得以实现。4.2好处二其次，DSPF2812用于电机控制另一大优点就是采样。上面介绍了这是一个包括位置反馈、速度反馈和电流反馈的三闭环系统，这就需要对电流、转速、位置进行采样，在经过量化、编码，变为数字信号，再有计算机处理，构成对PWM脉冲波宽调整的因素。通常的系统中需要外加采样器件，这无形中增加了系统的复杂性和成本。而引入DSP后，DSP有能力响应和处理采样模拟信号得到的数据流，DSP可以负责各相电流采样（尽管精度不是很高，但正在运用各种方法提高ADC的采样精度）、转速采样，从而简化了系统，位系统控制提供了很大的方便。对于电流检测，A/D转换器是采集通道的核心，也是影响数据采集系统速率和精度的主要因素，TMS320F2812ADC模块是一个12位带流水线的模数转换器(ADC)，它有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别服务于事件管理器A和B，两个独立的8通道模块也可以级联构成一个16通道模块。两个8通道模块能够自动排序，每个模块可以通过多路选择器(MUX)选择8通道中的任何一个通道。在级联模式下，自动排序器将变成16通道。16个采样通道可编程位顺序模式和同步模式。对于每个通道而言，一旦ADC转换完成，将会把转换结果存储到结果寄存器(ADCRESULT)中。自动排序器允许对同一个通道进行多次采样，用户可以完成过采样算法，这样可以获得更高的采样精度。同时还可利用事件管理器的定时中断来定时启动94T转换-进行实时采样。对于转子位置和速度的检测，F2812的每个事件管理器EV都有一个正交解码脉冲电路QEP（QuadratureEncoderPulse）。该电路可对两个引脚CAP1/QEP1及CAP2/QEP2上的正交解码输入脉冲进行编码和计数。所谓正交解码脉冲是具有90度固定相移和频率变化的两个脉冲。当电机轴上的光电编码器产生正交编码脉冲时，将两个脉冲分别送入正交编码电路输入引脚，通过QEP检测两个序列的先后（GPTXdir），就可以确定电机的转向。通过脉冲计数和脉冲频率可以测出角位置和速度。4.3好处三DSPF2812用于电机控制的最突出优点的就是PWM波的输出。之所以说是最突出的优点，因为F2812由两个事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器包括通用（GP）定时器、全比较器PWM单元、捕获单元及正交脉冲编码电路。在电动机控制系统中，PWM信号控制导通和关断功率开关器件的时间来将所期望的电流和能量提供给电动机绕组，从而可以控制电动机的转速和转矩。每个事件管理器模块可同时产生多达8路的PWM波形输出。由3个带可编程死区控制的比较单元产生独立的3对（即6个输出），这6个特定的PWM输出引脚可用于控制三相交流感应电动机和无刷直流电动机。以及由通用定时器比较产生的2个独立的PWM输出。为了产生PWM信号，可以先使用一个定时器来重复PWM的周期，用一个比较寄存器来存放调制值。定时器计数器的值（TMS320F2812的定时计数器有连续增、连续减、连续增减等几种计数模式）不断地与比较寄存器的值进行比较，当两个值相匹配时，相关输出产生从低到高（或从高到低）的变化。当匹配产生或周期结束时，相关输出会产生另一个变化（从高到低或从低到高）。输出信号的变化时间由比较寄存器的值决定。这个过程在每个定时器周期按照比较寄存器不同的值（比较寄存器每次装载不同的值）重复，这样便产生了PWM信号。图4PWM的产生电路框图图4为PWM的产生电路框图，具体实现如下：1）通过设置定时器控制寄存器（TxCON）来确定采用连续增/减计数模式（或其他模式）。用周期寄存器T1PR设定PWM周期，用比较寄存器CMPRx设定PWM输出宽度。计数器按设定的时间单位连续向上技数，当计数到设定的峰值时，计数器立即向下计数则生成三角载波。在计数器计数过程中，如果设定的比较寄存器的值与计数器的值相等时，PWM脉冲输出端口自动输出高电平或低电平。2）通过设置比较方式控制寄存器（ACTR）的配置位，可分别设置6个PWM脉冲输出端口电平为：强制高/强制低/高有效/低有效（根据功率器件的特性来定）。3）通过设置比较控制寄存器（COMCONX）配置成“使能全比较”的PWM模式，确定各路PWM脉冲输出端口间为哪一种切换方式：当计数器的值为零时切换；当计数器的值等于设定的峰值时进行切换；立即进行切换。在每个PWM