DSP芯片在交流電機(jī)控制中的應(yīng)用1new

1、DSP芯片在交流電機(jī)控制中的應(yīng)用摘要：通過(guò)研究交流電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并結(jié)合永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)框圖，提出了運(yùn)用電機(jī)專用DSP芯片TMS320F2812對(duì)交流電機(jī)控制所起到的作用和所實(shí)現(xiàn)的方便功能。由于現(xiàn)在的系統(tǒng)大多要求在多個(gè)電機(jī)和傳動(dòng)裝置之間協(xié)調(diào)并精確地運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)致現(xiàn)在的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜。使用 DSP 最明顯的優(yōu)點(diǎn)在于提高了系統(tǒng)的可靠性，并降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。另外，利用諸如 DSP 能直接產(chǎn)生 PWM 的軟件技術(shù)，可明顯降低由電磁干擾引起的噪聲。關(guān)鍵詞：DSP，交流電機(jī)，PWM,控制系統(tǒng)1 引言在工礦企業(yè)中，電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用面最廣、數(shù)量最多的電氣設(shè)備之一。因而電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和控制與企業(yè)的

2、產(chǎn)品質(zhì)量和效益密切相關(guān)。而電機(jī)又分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，現(xiàn)在隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，特別是矢量變頻技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以用變頻電機(jī)模擬成直流電機(jī)，從而已經(jīng)有取代傳統(tǒng)直流電機(jī)的趨勢(shì)了，因此交流電機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛地同時(shí)也成為我們?cè)陔姍C(jī)行業(yè)研究的熱點(diǎn)。早期交流電機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成；控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)控制非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，因此阻礙了交流電機(jī)控制發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，特別是DSP等高速處理器的出現(xiàn)，使很多功能和算法可以采用軟件來(lái)完成，為交流電機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能夠達(dá)到更高的

3、性能。2 交流電機(jī)控制系統(tǒng)2.1直、交流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 電機(jī)大體可以分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，早期的電機(jī)行業(yè)，直流電機(jī)由于控制簡(jiǎn)單，調(diào)速平滑，只需改變輸入或勵(lì)磁電壓電流就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，性能良好，一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。然而，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)上存在的機(jī)械換向器和電刷，造價(jià)過(guò)高，維護(hù)困難，使它具有一些難以客服的缺點(diǎn)。同時(shí)，人們把越來(lái)越多的精力投入到了交流電機(jī)中，交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，制造成本低，便于維護(hù)，運(yùn)行可靠，效率高，雖然自身完成不了調(diào)速，可控性有所欠缺，需要借助變頻設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的改變，但仍然阻擋不了交流電機(jī)在工業(yè)應(yīng)用、日常生活和科技研發(fā)等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。2.2 交流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)被控量給定環(huán)節(jié)執(zhí)

4、行環(huán)節(jié)控制環(huán)節(jié)被控對(duì)象測(cè)量環(huán)節(jié)圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示為交流電機(jī)的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖，給定環(huán)節(jié)給定相應(yīng)的給定信號(hào)，是用戶給定系統(tǒng)的設(shè)定值，然后送到誤差比較器。誤差比較器的功能是將用戶給定系統(tǒng)的設(shè)定值與系統(tǒng)反饋電路反饋回來(lái)的電機(jī)實(shí)際進(jìn)行比較，從而送出一個(gè)誤差信號(hào)?？刂骗h(huán)節(jié)就是我們常說(shuō)的控制器即微處理器，它的輸入量就是剛才提到的反饋誤差，輸出量是PWM脈沖?？刂破魇钦麄€(gè)控制系統(tǒng)的核心，它不僅要完成系統(tǒng)所需要的各種復(fù)雜的算法，還要發(fā)出PWM脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。它通過(guò)內(nèi)部控制程序，對(duì)輸入接口輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成控制計(jì)算等工作，通過(guò)輸出接口電路向外圍設(shè)備發(fā)出各種控制信號(hào)。這也是本篇報(bào)告要

5、講的核心內(nèi)容。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電力電子器件（驅(qū)動(dòng)電路），電力電子器件主要是作為功率開(kāi)關(guān)使用，PWM脈沖信號(hào)加在驅(qū)動(dòng)電路芯片的輸入端，控制電力電子器件的開(kāi)通和關(guān)斷，電力電子器件與PWM技術(shù)結(jié)合，達(dá)到向電機(jī)提供所需要的不同極性、不同電壓、不同頻率、不同相序的供電電壓的目的，以此控制電機(jī)的起停、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。而被控對(duì)象就是我們要研究的交流電機(jī)。閉環(huán)控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是反饋環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)中引入檢測(cè)環(huán)節(jié)并對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制，可從根本上解決系統(tǒng)的精度問(wèn)題。檢測(cè)環(huán)節(jié)可將檢測(cè)到的實(shí)際位移反映給控制器，控制器根據(jù)檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移和速度狀態(tài)，來(lái)調(diào)整輸入脈沖的數(shù)量、頻率，使電機(jī)穩(wěn)定在正常運(yùn)行狀態(tài)，從而滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)系

6、統(tǒng)的精度和可靠性要求。上面主要介紹了交流電機(jī)的工作過(guò)程，對(duì)交流電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)做了詳細(xì)的介紹，這也是這個(gè)月份讀書報(bào)告的一部分，也為了引出數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）做了一些鋪墊，接下來(lái)就要介紹DSP芯片在交流電機(jī)中的應(yīng)用。本篇報(bào)告選用德州儀器公司（TI）2002年推出的專門用于電機(jī)控制的TMS320F2812芯片，并且以它在永磁同步電機(jī)中所起到的作用為例，來(lái)詳細(xì)介紹DSP對(duì)未來(lái)電機(jī)研究的實(shí)用性及重要性。3 DSP在永磁同步電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用由于矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、無(wú)速度傳感器控制、基于智能化的系統(tǒng)控制（如模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制）等新理論的應(yīng)用，使交流傳動(dòng)中的控制算法越來(lái)越復(fù)雜

7、。早期交流電機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成；控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)控制非常不靈活、調(diào)試?yán)щy。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，特別是DSP等高速處理器的出現(xiàn)，使很多功能和算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，為交流電機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能夠達(dá)到更高的性能。圖2基于TMS320F2812的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)框圖TMS320F2812是典型的集成DSP電機(jī)控制器，它廣泛應(yīng)用于三相交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)等全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)中。圖2是基于TMS320F2812的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)是一個(gè)包括

8、位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù)由PC通過(guò)RS-232接口傳給DSP,DSP負(fù)責(zé)各相電流采樣、轉(zhuǎn)速采樣，并計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和位置信息，最后進(jìn)行校正補(bǔ)償處理，確定PWM脈寬系數(shù)，進(jìn)而輸出6路PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離電路后，驅(qū)動(dòng)逆變器功率開(kāi)關(guān)器件。同時(shí)，DSP還監(jiān)視逆變調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等故障時(shí)，執(zhí)行中斷，DSP將立即封鎖PWM輸出信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。下面來(lái)通過(guò)TMS320F2812的芯片結(jié)構(gòu)來(lái)介紹它在這個(gè)系統(tǒng)中怎樣實(shí)現(xiàn)這些功能，又有什么方便的作用的。4 電機(jī)控制TMS320F2812DSP芯片圖3是TMS320F2812的體系結(jié)構(gòu)框圖，首先我

9、們由框圖來(lái)簡(jiǎn)單介紹F2812的內(nèi)部構(gòu)成。TMS320F2812是TI公司專門用于控制的一款高性能、多功能、高性價(jià)比的頂點(diǎn)32位DSP處理芯片。該芯片最高可以150MHz主頻工作，并帶有18K16位零等待周期的片內(nèi)SRAM和128K16位的片內(nèi)Flash。它還有3個(gè)獨(dú)立的32位CPU定時(shí)器，以及56個(gè)可獨(dú)立編址的GPIO引腳，還可外擴(kuò)大于1M16位程序和數(shù)據(jù)處理器。該芯片片上外設(shè)主要包括16路12位精度的ADC、2路SCI、1路SPI、1路McBSP、1路eCAN，以及兩個(gè)事件管理器等。每個(gè)事件管理模塊包括6路PWM、2路QEP、3路CAP和2路16位的定時(shí)器。圖3 TMS320F2812體系結(jié)

10、構(gòu)框圖4.1 好處一首先，DSPF2812用于電機(jī)控制一大優(yōu)點(diǎn)就是速度快。電機(jī)控制對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度和執(zhí)行速度有很高的要求，更快的處理速度就意味著更強(qiáng)大的性能，更優(yōu)越的應(yīng)用。這里我們看F2812CPU的主頻，主頻越高，處理速度越高，而它的主頻最高可達(dá)150MHz，而經(jīng)典的C8051單片機(jī)才只有12 MHz，TI的超級(jí)功耗單片機(jī)MSP430也只有最高可達(dá)25 MHz。同時(shí)，TMS320F2812采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部具有6條32位總線;程序存儲(chǔ)器總線和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線相互獨(dú)立，支持并行的程序和操作數(shù)尋址，因此CPU的讀/寫可在同一周期內(nèi)進(jìn)行。其次，加上四級(jí)的流水線操作( 即基本指令的取指、譯碼

11、、讀操作數(shù)和執(zhí)行并行操作) 使指令和數(shù)據(jù)能并行移動(dòng)和同步執(zhí)行, 保證了靈活性, 加快了執(zhí)行速度, 縮短了整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間。最后F2812中支持1616位或者3232位乘累加操作，這是信號(hào)處理器區(qū)別于其他通用微處理器的主要特征，也是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的必要部件，這種硬件加強(qiáng)的方式大大提高了計(jì)算能力。這種高速運(yùn)算能力使精確PID和多變量控制、自適應(yīng)控制、參數(shù)估計(jì)、光譜分析、壓縮/解壓縮、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等復(fù)雜控制算法得以實(shí)現(xiàn)。4.2 好處二其次，DSPF2812用于電機(jī)控制另一大優(yōu)點(diǎn)就是采樣。上面介紹了這是一個(gè)包括位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)系統(tǒng)，這就需要對(duì)電流、轉(zhuǎn)速、位置進(jìn)行采樣，

12、在經(jīng)過(guò)量化、編碼，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再有計(jì)算機(jī)處理，構(gòu)成對(duì)PWM脈沖波寬調(diào)整的因素。通常的系統(tǒng)中需要外加采樣器件，這無(wú)形中增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。而引入DSP后，DSP有能力響應(yīng)和處理采樣模擬信號(hào)得到的數(shù)據(jù)流，DSP可以負(fù)責(zé)各相電流采樣（盡管精度不是很高，但正在運(yùn)用各種方法提高ADC的采樣精度）、轉(zhuǎn)速采樣，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，位系統(tǒng)控制提供了很大的方便。 對(duì)于電流檢測(cè)，A/D轉(zhuǎn)換器是采集通道的核心，也是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速率和精度的主要因素，TMS320F2812ADC模塊是一個(gè)12位帶流水線的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，它有16個(gè)通道，可配置為2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器A和B，兩個(gè)獨(dú)立的8

13、通道模塊也可以級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)16通道模塊。兩個(gè)8通道模塊能夠自動(dòng)排序，每個(gè)模塊可以通過(guò)多路選擇器(MUX)選擇8通道中的任何一個(gè)通道。在級(jí)聯(lián)模式下，自動(dòng)排序器將變成16通道。16個(gè)采樣通道可編程位順序模式和同步模式。對(duì)于每個(gè)通道而言，一旦ADC轉(zhuǎn)換完成，將會(huì)把轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到結(jié)果寄存器(ADCRESULT)中。自動(dòng)排序器允許對(duì)同一個(gè)通道進(jìn)行多次采樣，用戶可以完成過(guò)采樣算法，這樣可以獲得更高的采樣精度。同時(shí)還可利用事件管理器的定時(shí)中斷來(lái)定時(shí)啟動(dòng)94T轉(zhuǎn)換-進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。對(duì)于轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測(cè)，F(xiàn)2812的每個(gè)事件管理器 EV都有一個(gè)正交解碼脈沖電路 QEP（Quadrature Encoder P

14、ulse）。該電路可對(duì)兩個(gè)引腳 CAP1/QEP1 及 CAP2/QEP2 上的正交解碼輸入脈沖進(jìn)行編碼和計(jì)數(shù)。所謂正交解碼脈沖是 具有 90度固定相移和頻率變化的兩個(gè)脈沖。當(dāng)電機(jī)軸上的光電編碼器產(chǎn)生正交編碼脈沖時(shí)，將兩個(gè)脈沖分別送入正交編碼電路輸入引腳，通過(guò) QEP 檢測(cè)兩個(gè)序列的先后（GPTXdir），就可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)和脈沖頻率可以測(cè)出角位置和速度。4.3 好處三DSPF2812用于電機(jī)控制的最突出優(yōu)點(diǎn)的就是PWM波的輸出。之所以說(shuō)是最突出的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)镕2812由兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)事件管理器包括通用（GP）定時(shí)器、全比較器PWM單元、捕獲單元及正交脈沖

15、編碼電路。在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，PWM信號(hào)控制導(dǎo)通和關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)器件的時(shí)間來(lái)將所期望的電流和能量提供給電動(dòng)機(jī)繞組，從而可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。每個(gè)事件管理器模塊可同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)8路的PWM波形輸出。由3個(gè)帶可編程死區(qū)控制的比較單元產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)（即6個(gè)輸出），這6個(gè)特定的PWM輸出引腳可用于控制三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。以及由通用定時(shí)器比較產(chǎn)生的2個(gè)獨(dú)立的PWM輸出。為了產(chǎn)生PWM信號(hào)，可以先使用一個(gè)定時(shí)器來(lái)重復(fù)PWM的周期，用一個(gè)比較寄存器來(lái)存放調(diào)制值。定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值（TMS320F2812的定時(shí)計(jì)數(shù)器有連續(xù)增、連續(xù)減、連續(xù)增減等幾種計(jì)數(shù)模式）不斷地與比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)兩

16、個(gè)值相匹配時(shí)，相關(guān)輸出產(chǎn)生從低到高（或從高到低）的變化。當(dāng)匹配產(chǎn)生或周期結(jié)束時(shí)，相關(guān)輸出會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)變化（從高到低或從低到高）。輸出信號(hào)的變化時(shí)間由比較寄存器的值決定。這個(gè)過(guò)程在每個(gè)定時(shí)器周期按照比較寄存器不同的值（比較寄存器每次裝載不同的值）重復(fù)，這樣便產(chǎn)生了PWM信號(hào)。TCTR對(duì)稱/非對(duì)稱波形發(fā)生器SVPWM狀態(tài)機(jī)MUXDBTCONA死區(qū)定時(shí)器控制寄存器死區(qū)單元ACTRA全比較控制寄存器輸出邏輯COMCONAPWM1PWM6TxCON圖4 PWM的產(chǎn)生電路框圖圖4為PWM的產(chǎn)生電路框圖，具體實(shí)現(xiàn)如下：1）通過(guò)設(shè)置定時(shí)器控制寄存器（TxCON）來(lái)確定采用連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式（或其他模式）。用周

17、期寄存器T1PR設(shè)定PWM周期，用比較寄存器CMPRx設(shè)定PWM輸出寬度。計(jì)數(shù)器按設(shè)定的時(shí)間單位連續(xù)向上技數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到設(shè)定的峰值時(shí)，計(jì)數(shù)器立即向下計(jì)數(shù)則生成三角載波。在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)過(guò)程中，如果設(shè)定的比較寄存器的值與計(jì)數(shù)器的值相等時(shí)，PWM脈沖輸出端口自動(dòng)輸出高電平或低電平。2）通過(guò)設(shè)置比較方式控制寄存器（ACTR）的配置位，可分別設(shè)置6個(gè)PWM脈沖輸出端口電平為：強(qiáng)制高/強(qiáng)制低/高有效/低有效（根據(jù)功率器件的特性來(lái)定）。3）通過(guò)設(shè)置比較控制寄存器（COMCONX）配置成“使能全比較”的PWM模式，確定各路PWM脈沖輸出端口間為哪一種切換方式：當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為零時(shí)切換；當(dāng)計(jì)數(shù)器的值等于設(shè)定的峰值時(shí)進(jìn)

18、行切換；立即進(jìn)行切換。在每個(gè)PWM周期中，根據(jù)不同的調(diào)制值來(lái)設(shè)定比較寄存器，就可以產(chǎn)生不同寬度的PWM信號(hào)。而在許多電動(dòng)機(jī)、運(yùn)動(dòng)及電力電子應(yīng)用中，常將兩個(gè)功率器件串聯(lián)到一個(gè)功率轉(zhuǎn)換器的引腳上組成一個(gè)橋臂，同一橋臂的上下兩個(gè)器件絕對(duì)不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)發(fā)生短路。這就引入了死區(qū)的概念，死區(qū)時(shí)間經(jīng)常被插入到一個(gè)器件的關(guān)閉和另一個(gè)期間的開(kāi)啟之間，防止在任何操作下，每個(gè)單元產(chǎn)生的兩路PWM信號(hào)同時(shí)打開(kāi)被控功率橋的上下臂，即橋臂直通。所以還有第4步。4）通過(guò)相應(yīng)的16位死區(qū)控制器DBTCON可設(shè)定死區(qū)時(shí)間、使能或禁止死區(qū)定時(shí)器。死區(qū)定時(shí)器有三個(gè)，分別對(duì)應(yīng)三個(gè)全比較單元的三對(duì)PWM通道。設(shè)定死區(qū)時(shí)間并使能死區(qū)定時(shí)器后，可在相應(yīng)的一對(duì)(兩路)PWM輸出時(shí)插入死區(qū)時(shí)間，以保證兩個(gè)被控器件無(wú)重疊地開(kāi)啟。下圖5就為比較單元和PWM電路產(chǎn)生非對(duì)稱的PWM波形。圖5比較單元和PWM電路產(chǎn)生非對(duì)稱的PWM波形5 總結(jié)電機(jī)控制專用DSP芯片的出現(xiàn)，給電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。這些芯片控制功能強(qiáng)，保護(hù)功能完善，工作性能穩(wěn)定，組成的系