基于DSP28335的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計說明

1、2011-2012德州儀器C2000及MCUJ新設(shè)計大賽項目報告題 目： 基于DSP28335勺永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計組別：專業(yè)組應(yīng)用類別：先進控制類平臺： C2000題 目：基于DSP28335勺永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘要（中英文）本控制系統(tǒng)的設(shè)計是為了實現(xiàn)基于 TMS320F28335勺永磁同步電動機的調(diào)速系統(tǒng),并把它引用到全電動注塑機當(dāng)中。 本系統(tǒng)使用SVPWM1控制方法，通過采 樣電機電流和旋轉(zhuǎn)變壓器的位置信息，實現(xiàn)速度、電流雙閉環(huán)控制。通過 TMS320F2833的硬件浮點處理核心，實現(xiàn)應(yīng)用于永磁同步電機的浮點算法，去 取代過去的定點算法，提高代碼效率。Abstract: The

2、 control system is designed to realize TMS320F28335 basedon the permanent magnet synchronous motor speed control system, and putit to quoting all electric of injection molding machine. The system ofthe control method used SVPWM, through the sampling motor current and rotating transformer position in

3、formation, realize speed, current double closed loop control. Through the TMS320F28335 hardware floating-point processing core, realize the application for permanent magnet synchronous motor in the floating point arithmetic, to replace the past fixed-point algorithm, and improve the efficiency of th

4、e code.1 .引言1.1 設(shè)計背景及目的本永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)是全電動注塑機的其中一個應(yīng)用部分。全電動注塑機憑借著其節(jié)約能源、清潔、噪聲少、速度控制效果好、精度高、可重 復(fù)性高、成本低等眾多優(yōu)點，成為了當(dāng)下高端注塑機發(fā)展的一個方向。全電動注塑機的所有運動機構(gòu)都采用交流伺服電動機驅(qū)動，一個穩(wěn)定高效的永磁同步電動機驅(qū)動方案成為了全電動注塑機性能的一個總要部分。本次設(shè)計以適用于全電動注塑機的永磁同步電動機控制系統(tǒng)為目標進行設(shè)計， 采用TI公司的TMS320F2833昨為控制核心。憑借 TMS320F28335K速的運 算能力，適用于電動機控制的各種外設(shè)，以及TMS320F283XX有的硬件浮點

5、運算能力，進行永磁同步電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計。1.2 設(shè)計所要解決的問題本次設(shè)計希望解決以下問題：(1)完成TMS320F28335勺永磁同步電動機控制板的設(shè)計。本系統(tǒng)自主設(shè)計系統(tǒng)控制板，以TMSF2833蚱為主控芯片,采用TI公司提供的豐富的軟件資源進行電機控制算法的設(shè)計。( 2)完成各外設(shè)功能的設(shè)計及實現(xiàn)。本次系統(tǒng)應(yīng)用了PW、M SPI、 ADC、SCI 等外設(shè)以及若干通用I/O 口，每一部分都完成各自的功能與任務(wù)。本次設(shè)計必須在每一個模塊功能的完整實現(xiàn)后，才能真正整合成一個完整適用的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)永磁同步電動機調(diào)速控制的功能。(3)實現(xiàn)基于TMS320F2833的定點算法到浮點算法

6、的轉(zhuǎn)換。由于 TI公司提供的電機控制的各種庫函數(shù)大部分是由原來的TMS320F28X定點芯片轉(zhuǎn)換過來的函數(shù)，函數(shù)主要還是使用IQ 庫進行運算。為了發(fā)揮TMS320F28335強大的硬件浮點運算功能，提高代碼的效率，必須在設(shè)計出浮點的控制方法。(4)實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的PID閉環(huán)控制。PID控制是經(jīng)典控制當(dāng)中的應(yīng)用最廣，最有效的控制方法之一。永磁同步電動機的調(diào)速系統(tǒng)的速度、電流雙閉環(huán)的PID參數(shù)的調(diào)試和確定是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的一個關(guān)鍵。( 5)提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。在完成PID 控制的基礎(chǔ)上根據(jù)不同速度、負載智能改變PID 參數(shù)的控制方法。(6)與PC通信進行電機的控制。通過 SCI與PC機進行通

7、信控制，實現(xiàn)PC機發(fā)送命令控制運動。2 . 系統(tǒng)方案2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖2.1所示，整個永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)工作在速度控制模式下，通 過串行SCI接口輸入速度值以及電機轉(zhuǎn)向。當(dāng)輸入位置控制信號，信號回首 先輸入位置環(huán)，位置環(huán)輸出速度信號，速度環(huán)對輸入速度信號進行PI調(diào)節(jié),輸出Q軸參考電流，D軸的參考電流始終保持為0,然后在分別對兩電流作 PI調(diào)節(jié)，得到兩相運動的電流信號，接著通過逆 PAR儂換，變換成兩相靜 止的電流信號，靜止的電流信號通過svpwM塊產(chǎn)生出六路pwf®制功率逆 變器驅(qū)動電機。u 相和V相的電流值由分別安裝在兩相上的采樣電阻及后續(xù)放大處理電路得到，并通過DSP

8、的AD模塊輸入。DSPW得到的U相和V相的電流，通過 CLARK變換變成靜止的兩相電流，再通過 PAR儂換把靜止的兩相電流轉(zhuǎn)換 成運動的兩相反饋電流，送入電流環(huán)中進行運算。通過安裝在電機尾部的旋轉(zhuǎn)變壓器， 以及負責(zé)將旋轉(zhuǎn)變壓器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的AD2s90tt AD2s9犯片，可以準確地讀取永磁同步電機轉(zhuǎn)子的位置，并將此位置以數(shù)字量的方式通過 SPI傳送給DSP DSP可計算出電機的當(dāng)前速度，反饋給速度環(huán)，并且將電角度的值賦予PAR儂換與PAR儂變換。2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵算法2.2.1 CLARKE變換及PAR儂換在永磁同步電動機的控制當(dāng)中，對電流的采樣和反饋的關(guān)鍵是對三相電流與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系

9、的解耦和反饋。 如圖2.1中的CLARK變換和PAR儂換就 是完成這一工作，把采集回來的 A相、B相電流，轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)的 動坐標系的D-Q軸電流，再進行電流環(huán)的控制。CLARKE變換和PAR儂換都是基于三相交流電機的數(shù)學(xué)模型的變換公 式，其中CLARK變換是把每一個瞬時的靜止 a-b-c三相定子電流坐標空間 轉(zhuǎn)換成靜止的d-q 坐標系，如圖2.2 所示。la圖2.2定子靜止a-b-c坐標系與靜止d-q坐標系坐標系變換關(guān)系為：(式 2-1 )Id IaIq (2Ib Ia)/ . 3而PAR底換則是吧靜止的d-q坐標系轉(zhuǎn)變成跟著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的動坐圖2.3靜止d-q坐標系與旋轉(zhuǎn)D-Q坐標系

10、關(guān)系圖如圖所示，D軸為轉(zhuǎn)子磁場指向的方向，ID、IQ的值由D軸及d軸的夾 角和Id、Iq有關(guān)，其具體公式如下：（式 2-2）ID Id cos Iq sinIQ Id sin Iq cos2.2.2 SVPWM 的產(chǎn)生SVPWM的產(chǎn)生是三相交流電機控制的關(guān)鍵，為了獲得 SVPWtt,控制單元必須產(chǎn)生控制信號來控制逆變器的開關(guān)以實現(xiàn)波形的輸出。SVPWM在交流電動機中按預(yù)定的電壓相位工作，SVPWM生脈沖信號，且能減少諧振。在信號轉(zhuǎn)換方面，采用高速光電耦合器件，把這8個信號轉(zhuǎn)換連接驅(qū)動功率模塊產(chǎn)生8個不同相位電壓V7。圖2.4描述了這種結(jié)構(gòu)。圖2.4矢量脈寬調(diào)制器的矢量示意圖矢量軸把圖2.4分成

11、六部分。相鄰矢量的二維表示法只有一點點不同，在改變相序時，得出結(jié)論是：只有一個晶體管改變導(dǎo)通方式。但一個矢量轉(zhuǎn)T期間，這換到另一個相鄰矢量模式的矢量時，在產(chǎn)生預(yù)定輸出電壓的采樣 兩相矢量時矢量和對于數(shù)字信號處理器TMS320LF28335可以利用芯片集成的PWM&號發(fā)生器通過編程的方式來實現(xiàn)。任何給定輸出所對應(yīng)的空間矢量可以由圖2.5所示的對稱切換方式由基本空間矢量擬合出來。這種對稱的輸出方式可以非常方便地由TMS320LF2833通過軟件的方法控制三路 PWM：生器實現(xiàn)。切換滿足一下變化規(guī)律：(O>00, U, U嗎 Oii,啦，U, Q00),其中x=0、 120、 240

12、且有以下特點：(1)每個PWMB道在每一個PWMB期中切換兩次；(2)在每一個由相鄰兩個基本矢量所劃分的空間里，三路PWM1道的切換順序保持一致；(3)每一個PWMB期中，輸出狀態(tài)都由Q00開始；(4)每一個PWMB期中，插入的O00狀態(tài)的值與Oil均相同。abT0/4T1/2T2/2To/2T2/2T1/2To/4abTo/4T1/2T2/2To/2T2/2Ti/2To/41ca b ca bO111(11Uo (To/2|1ca b ca bO111X111)電U6T0/2O000(000)(To/4Uo耀Ti/2U6o 秘T2/2U6o11UT2/2Uo 1oo) 6oNfT1/2Ooo

13、o(000)To/4Oooo(oo0)To/4U120 轉(zhuǎn))T1/2U60 艘T2/2U6001goT2/2U120(010)U120；Ti/2Oooo300)To/4Ul8o o臭T2/2O111(111)(H U12To/2U18o o)T2/2U240 搐T1/2U180 腰T2/2O111 ?1U)8T0/2U180 叩 so與T2/2U240(0o1)U240,T1/2Oooo(000)(位一To/4Ul2o 讖Ti/2U12o：o1o)U180KT1/2Oooo (000)To/4Oooo(oo0)To/4Oooo£00)To/4cc矢量PU24oJ3oo腮O111(中(

14、H U24問!U3oo 判) 升2.5U240/)U300 K三U300拗O1111119U30U30001職Oooo(ooo)(Oooo (000)相空間IOooo (00Q_W瞰開Uo ?00)UoOooo和00)通過改變T1、T2的大小就能完成空間矢量的不同角度的產(chǎn)生。2.2.3 抗飽和積分PI控制器的設(shè)計在電機控制中通常會用PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，但如果直接用PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)的話，在飽和輸出時積分環(huán)節(jié)往往還停留在一個比較大的值，所以，本設(shè)計所使用的電流和速度調(diào)節(jié)器都是帶有積分校正的PI控制器，它的好處是，在能非?？斓耐孙柡?，能夠有效地提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，減少超調(diào)量其算法框圖，如圖2.6所

15、示。圖2.6抗飽和積分PI控制器算法框圖T其中：Up(k)為比例項的輸出值，KP為比例系數(shù)，e(k)為當(dāng)前誤差，Ti 為積分系數(shù)，為積分項的校正系數(shù)，Ui(k)為積分項的輸出值，U的刈為 輸出限副前的值，U為輸出值，UmaxDUmin為輸出限副的最大值和最小值。(1)Kp 參數(shù)分析：比例系數(shù)Kp的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此Kp值不能取的過大；如果Kp值取較小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)動、靜態(tài)特性變壞。(2) Ki參數(shù)分析積分環(huán)節(jié)作用系數(shù)Ki的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

16、Ki越大，積分速度越快，系統(tǒng)靜差消除越快，但 Ki過大，在響應(yīng)過程的初期以及系統(tǒng) 在過渡過程中會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)，使動態(tài)性能變差；若Ki 過小，使積分作用變?nèi)酰瓜到y(tǒng)的靜差難以消除，使 過渡過程時間加長，(3) Kc 參數(shù)分析積分飽和校正系數(shù)Kc的作用在于當(dāng)控制器輸出飽和時，能迅速使得積分項的輸出值降下來，避免積分變量因累加過大，控制器輸出值不能迅速退飽和而產(chǎn)生過大超調(diào)。Kc越大，控制器的輸出值退飽和越快，但，Kc過大會使得輸出值在飽和值附近產(chǎn)生過大的振蕩使得系統(tǒng)反應(yīng)過慢；Kc越小,控制器的輸出值退飽和越慢，但，Kc過小會使得輸出值長時間不能退飽和使得 系統(tǒng)容易

17、產(chǎn)生過大超調(diào)。(4) 參數(shù)的整定PID 參數(shù)的整定在工程上有很多方法，其中用得比較多的有仿真法和經(jīng)驗整定法。由于仿真法對電機參數(shù)的非常敏感，本次系統(tǒng)的參數(shù)整定使用經(jīng)驗整定法，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，對于不同速度段的PID參數(shù)進行整定，獲得分段的PID參數(shù)。2.2.4 電流環(huán)的設(shè)計電流環(huán)是整個永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，也是整個系統(tǒng)最重要的一環(huán)，其動態(tài)響應(yīng)特性直接決定著整個系統(tǒng)的好壞。必須保證電流環(huán)的響應(yīng)速度、控制精度, 矢量控制策略才有可能實現(xiàn)。系統(tǒng)的載波頻率為15kHz,即電流環(huán)的控制周期為15kHz/s。由于要同 時控制D軸和Q軸的電流，所以電流控制需要兩個電流環(huán)同時協(xié)調(diào)工作以達到Q軸電流與速度環(huán)

18、給定的電流相等，D軸的電流等于零。Q軸電流調(diào)節(jié)和D軸電流調(diào)節(jié)均使用抗飽和積分PI 調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定的操作方法：1. 把電機的轉(zhuǎn)子固定，目的是為了消除電機轉(zhuǎn)動時反電勢的干擾；2.給定一個頻率為1kHz的正反電流信號，目的是對應(yīng)速度環(huán)所給電流信號的速率；3. 分別采集給定電流信號和反饋電流信號進行對比，反復(fù)嘗試調(diào)整PI 參數(shù)，直到效果最好為止，從而整定PI參數(shù)。2.2.5 速度環(huán)的設(shè)計速度控制也是交流伺服控制系統(tǒng)中極為重要的一個環(huán)節(jié)，其控制性能是伺服系統(tǒng)整體性能指標的一個重要組成部分。從廣義上講，速度環(huán)也應(yīng)具有響應(yīng)快，超調(diào)量少的特性。具體而言，反映為小的速度脈動率、快的頻率響應(yīng)、寬的調(diào)

19、速范圍等性能指標。選擇好的三相交流永磁同步伺服電動機、分辨率高的光電編碼器、零漂誤差小的電流檢測元件以及高開關(guān)頻率的大功率開關(guān)元件，就可以降低轉(zhuǎn)速不均勻度，實現(xiàn)高性能速度控制。但是在實際系統(tǒng)中，這些條件都是受限制的，這就要求用合適的速度調(diào)節(jié)器來補償。速度環(huán)不需要過高的采樣頻率，過高的采樣頻率容易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在程序中，設(shè)定每20次PWMB期進行一次速度采樣，即速度環(huán)的控制周期為0.75kHz/s 。這里的速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定跟電流環(huán)一樣，都是通過反復(fù)調(diào)試確定3.系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計本控制系統(tǒng)采用TMS320F2833的控制核心進行電機控制板的設(shè)計，以現(xiàn)成的功率驅(qū)動板作為功率

20、放大驅(qū)動部分，通過信號接口進行控制。本次設(shè)計中應(yīng)用了 ePWMADC SPI、SCI等外設(shè)，以及使用 GPIO進行驅(qū)動模塊的風(fēng)扇、繼電器、剎車電阻用的IGBT的通斷控制，以及鍵盤、數(shù)碼管人機交互的實現(xiàn)。本次設(shè)計采用了旋轉(zhuǎn)變壓器進行位置信號反饋，通過AD2s90a行位置模擬信號的處理。以下是本次設(shè)計的總體設(shè)計圖，其中DSP28335空制板為本次設(shè)計的主要部分功率驅(qū)動板三相整流橋GBT模塊電機電流 -母線電 球信號調(diào) 理電路隔黑 放大靠電.剎 外電陽等控制T T 1ePWM "0 | ADC DSP 2833s控制板渺隔離RS485SCI鍵點，數(shù)碼管圖3.1基于DSP28335的永磁同步

21、電動機硬件系統(tǒng)圖3.2 PWM控制電路本次控制系統(tǒng)采用 SVPWM制方法，PWM DSP28335勺ePWM卜設(shè)產(chǎn)生,通過74HC245故輸出緩沖增強負載能力，驅(qū)動功率驅(qū)動板上的光耦。功率驅(qū)動板采用現(xiàn)成的產(chǎn)品，選用的是 IGBT模塊7MBR50S120,1200V 50A的PIM。PWM的輸出電路圖3.2所示，通過一個PWM1S_ENABfLEt對PWM勺輸出進行輸出或關(guān)斷，PWM1S_ENAB'通過軟硬件兩個方法對輸出進行保護，以保證在錯誤信號到來時硬件自動關(guān)斷 PWM出，保護電機和驅(qū)動模塊。硬件保護電路如圖3.3 ,通過SN74HC745片做D觸發(fā)器，74HC08t門對錯誤信號，復(fù)

22、位信號，軟件控制信號進行邏輯處理和判斷，對錯誤信號進行迅速處理。+3V|kI人向d 1G ODIR 二AlA2 Aj AJA5A6AfiBlB2R3B5B6 B?B8總|o|or .1817 PBJ再 過 P'v紀5T 審 pm 飛以if ii /id 131MM 汛11GND圖3.2 PWM輸出緩沖3.3 模擬量輸入通道TMS320F28335的ADCR能對03V的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。因此必須對功 率驅(qū)動板反饋回來的電流信號、直流母線電壓采集信號進行信號調(diào)理。本系 統(tǒng)中需要讀取的模擬量包括 a、b相電流，母線電壓值。3.3.1 A、B相電流信號采集與調(diào)理電流反饋是永磁同步電機控制中的一

23、個重要的環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)中功率驅(qū)動板采用采樣電阻采樣 A B兩相的電流，通過A7840隔離放大器對微電壓信號進行放大，再通過TL082C運算放大器進一步放大雙極性的電壓信號，本控制板通過圖3.3中的電路對雙極性的信號進行變換，變?yōu)?TMS320F28335可以處理的03V的單極性信號。模擬信號采用 REF19鍬供參考電壓源，通過固定放大倍數(shù)0.2倍的運放IN159做零點平移，并設(shè)計了防過壓的電路， 保證輸入DSP勺電壓不會超過容忍范圍3.3.2 直流母線電壓采集與調(diào)理功率驅(qū)動板的電源管理部分已對母線電壓進行了處理,其范圍信號范圍在控制在了 03V之間，可以對其信號進行直接采樣，如圖3.5所小。3.

24、4 旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理電路轉(zhuǎn)子位置的檢測在電機控制當(dāng)中起著關(guān)鍵的作用，在電機控制策略當(dāng)中 無論使用無感還是位置傳感的方法，都需要獲得轉(zhuǎn)子位置信息，才能進行svpwM產(chǎn)生。本設(shè)計中所使用的永磁同步電機采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為轉(zhuǎn)子位置信息的檢測單元，通過正弦模擬勵磁信號激發(fā)，反饋回來兩組相位相差90°的正交 正余弦信號，通過瞬時信號的檢測來判斷所在位置。為了把旋轉(zhuǎn)變壓器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本次控制系統(tǒng)采用了 AD2s90 AD2s99勺芯片組合 由AD2s9仁生勵磁信號，由AD2s90f巴正交的正余弦信號進行模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換,并通過SPI通信總線發(fā)送回DSP其具體電路如圖3.6所示MTAS

25、C1X 百圖3.6旋轉(zhuǎn)變壓器信號模數(shù)轉(zhuǎn)換電路43.5 數(shù)碼管顯示及鍵盤電路數(shù)碼管顯示及鍵盤輸入是系統(tǒng)中一個簡單的人機交互的方式， 本次設(shè)計 使用5位數(shù)碼管與8鍵鍵盤，數(shù)碼管的顯示數(shù)據(jù)通過74HC164®位寄存器做 串入并出的處理，以減少I/O 口的使用，同時使用I/O 口做5位數(shù)碼管的位 選。同時由于控制信號都是輸出信號（Output）,為了提高驅(qū)動力，控制信 號采用了 74HC245故輸出緩沖。數(shù)碼管顯示的主要電路如圖 3.7所示。而鍵盤方面，直接使用8個I/O 口做8位鍵盤的信號讀取，八個按鍵開 關(guān)直接連接I/O 口和地，由DSP乍I/O 口掃描。DATA_RT I g mtaZ

26、clk Tt J>ATA AILDIG415J>IG3L4DIG：13J>IG1L；_1>IGC'lip.閔也A3A4A5AfiA'A3昌CN 口 1 rfm q S 6 ，a s 5 B & B B ,F Boi|-jv1 n_DATA_MT3 1二DE二工二i 門二工行工4 。二口由1E工儂- 口工3 tHnH夕 DAGODATACLKjqataTest-3V72115ATA ALLN* CLKFrH2LM?力JLHX、4 ATA1- 50NN圖 miA3 1。/AW11 D工TA5 】【Jims g /ATA'GD圖3.7數(shù)碼管顯示

27、控制電路3.6 隔離的RS48唳口電路擴展通信是本次設(shè)計的一個主要內(nèi)容，通過 PC機對控制系統(tǒng)進行在線控制，需要使用通信接口。本系統(tǒng)利用 DSP勺SCI外設(shè)，通過隔離的方式進 行RS485的工業(yè)通訊設(shè)計，采用了 MAX488乍為信號轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)全雙工的通信功能。通信接口電路如圖 3.83.7開關(guān)量控制信號圖3.8帶隔離的RS485通信接口電路本次使用的功率驅(qū)動板配有模塊散熱風(fēng)扇，繼電器，剎車電阻導(dǎo)通等部分的開關(guān)量控制信號。具信號通過 74HC07故簡單的緩沖輸出。信號在功率驅(qū)動板上通過光耦TLP181進行隔離。3.8 提高系統(tǒng)抗干擾性能的措施永磁同步電機的運行狀態(tài)處在一個電磁干擾較復(fù)雜的環(huán)境

28、當(dāng)中，提高控制系統(tǒng)的抗干擾性能對控制的正確性和穩(wěn)定性起著重要作用。本次硬件控制板采取了一下一些措施來提高其抗干擾的性能。（ 1）按功能劃分的設(shè)計布局。設(shè)計當(dāng)中把模擬部分和數(shù)字部分進行了空間上的劃分，模擬地與數(shù)字地之間只通過磁珠進行連接，盡量避免數(shù)字信號與模擬信號之間的相互干擾，提高各種信號的性能。同時每一個功能模塊電路都盡量集中在一個區(qū)域進行布局，減少了不同功能模塊之間的相互干擾。（ 2）采用四層板設(shè)計。本次硬件系統(tǒng)設(shè)計采用四層板設(shè)計，中間兩層分別為地和5V電源，即內(nèi)電層，提高了系統(tǒng)對外界的抗干擾能力。（ 3）避免環(huán)形電路，不同的層之間盡量采用相互正交的布線方式，減少寄生效應(yīng)。（4）采用旁路去

29、耦電容。每一個器件都使用了參考值為0.1 nF的旁路電容進行去耦，提高器件的電源質(zhì)量。（ 5）由于控制接口到功率模塊的走線距離不宜過長，在設(shè)計的時候連接線都盡量縮短距離，PWMJ走線的距離盡量保持相當(dāng)?shù)木嚯x，以提高控制 質(zhì)量。4 .系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)程序的框圖及其說明4.1.1 主程序設(shè)計主程序的作用是對系統(tǒng)程序的初始化，并且設(shè)立死循環(huán)程序作為液晶顯 示和按鍵掃描，等待中斷程序的產(chǎn)生。主程序框圖如圖4.1所示。程序流程是：系統(tǒng)上電或復(fù)位后，首先進行 系統(tǒng)初始化，配置并使能系統(tǒng)時鐘，初始化中斷向量表。然后依次配置各外 設(shè)引腳以及對外設(shè)的初始化。外設(shè)包括：ADC真塊，EPWM1塊，I/O端口

30、,SCI模塊和SPI模塊。接著配置各個實際參數(shù)，包括：電機的銘牌參數(shù)，電 流環(huán)以及速度環(huán)的PID參數(shù)，F(xiàn)IR濾波器的系數(shù)。最后進入主循環(huán)。在主循 環(huán)里進行按鍵識別與數(shù)碼管顯示的程序。按鍵識別首先進行消抖處理，判斷 返回的鍵值，然后根據(jù)相應(yīng)的鍵值在 PW呻斷里進行對應(yīng)處理。數(shù)碼管顯示 通過兩段與三段數(shù)碼管的組合，將任意變量值在數(shù)碼管中顯示。圖4.1主程序框圖4.1.2 CPUTIMER0定時器中斷程序在定時器中斷里，DSP觸發(fā)AD采樣，采樣得到U V兩相的電流值，并 判斷是否過流，若過流，則停止電機。如圖 4.2所示。圖4.2定時器中斷程序框圖4.1.3 PWM中斷程序在PWW斷程序里DSP故了

31、大量的運算，是整一個程序的核心。在設(shè)計中，將PWW斷的頻率編程設(shè)為15KHz,即電機的載波頻率。PWW斷程序 的具體過程如下：首先，DSP!過SPI接口讀取AD2s90K片存儲的電機位置 信息，將讀回來的值換算成電機的機械角度，并計算電角度。然后獲取定時器0中斷采樣得到的U相與V相電流值，經(jīng)過簡單的濾波處理后，進行CLARKE 變換和PAR峻換，得到跟隨電機轉(zhuǎn)子運動的 D軸和Q軸電流值，即勵磁電 流和轉(zhuǎn)矩電流。接著，進行速度閉環(huán)和電流閉環(huán)的運算。先進行速度閉環(huán),將給定電機轉(zhuǎn)速與當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速相減的差值送入速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器中運算，得到Q軸的電流iq。再進行電流閉環(huán)，將iq、id分別與計算出來的實際

32、的 iq、id值進行比較，差值送入各自的電流環(huán) PI調(diào)節(jié)器（這里的id為0）。出 來的結(jié)果經(jīng)PAR底變換之后轉(zhuǎn)化成a、B兩相的電壓值。經(jīng)過空間矢量 SVPWM法的運算最終控制DSP 6路PWM：生器產(chǎn)生不同占空比的PWMt 從而達到控制電機轉(zhuǎn)速的要求。PAR變換中斷標志清零中斷結(jié)束速度環(huán)運算圖4.3 ePWM中斷程序框圖4.1.5 SCI串行通訊接收中斷SCI串行通訊接收中斷主要的作用是：接受設(shè)定的控制命定和速度值, 其程序框圖，如圖4.4所示。圖4.4 SCI串行通訊接收中斷框圖5 .系統(tǒng)創(chuàng)新本次系統(tǒng)的基于TMS320F2833降為主控芯片，作為TI公司Defino系列中處于中高端的一員，以

33、其適合于控制器的外設(shè)功能和強大的硬件浮點能力成為了工業(yè)控制當(dāng)中的先進的控制核心。本次基于DSP28335勺永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計以TMS320F2833的核心，有以下創(chuàng)新：(1)采用硬件浮點算法。目前大多數(shù)的電機控制算法都是采用定點方式進行運算，采用TI提供的IQ定點數(shù)學(xué)函數(shù)庫進行處理。目前TMS320F28335的函數(shù)庫為了兼容前者也有IQ庫的功能，為了更好地利用TMS320F28335勺硬件特性和浮點功能，本次系統(tǒng)設(shè)計采用硬件浮點的運算方式進行算法設(shè)計，提高算法的效率，減少 CPU勺負擔(dān)，充分發(fā)揮TMS320F2833的性能優(yōu) 勢。(2)采用分段PID參數(shù)算法。對于不同分段的速度采用不同

34、的PID參數(shù)，使各段性能達到最優(yōu)，提高調(diào)速性能和不同目標速度下的調(diào)速效果穩(wěn)定性。（3）硬件上采用錯誤信號硬件保護。對比起經(jīng)過錯誤信號后中斷處理錯誤，硬件直接反應(yīng)停機對保護電機和功率模塊更加有效。本次設(shè)計采用數(shù) 字邏輯芯片對錯誤信號進行處理，出現(xiàn)錯誤信號直接阻斷PWMF號的輸出,同步處理錯誤中斷，更好地提高保護效果。6 .評測與結(jié)論6.1 系統(tǒng)測評及運行情況本次系統(tǒng)基于DSP28335勺永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計所希望達到的目 標是實現(xiàn)電機的寬范圍穩(wěn)定調(diào)速，并具有較高的抗干擾性能?；镜恼{(diào)速目標有以下幾點：1）電機運行速度空載情況下能在-2000rpm2000rpm之間調(diào)節(jié)2）帶負載情況下能在-1

35、000rpm1000rpm之間調(diào)節(jié)，并能快速穩(wěn)定。3）運行電流穩(wěn)定，并保持較完整的正弦波波形。以下是本次實驗調(diào)試的實際數(shù)據(jù)及過程曲線：本文的控制對象是為面裝式永磁同步電動機，其具體參數(shù)如表6.1所示：表6.1永磁同步伺服電機參數(shù)額定功率2.2 KW空載電流1.1 A額定轉(zhuǎn)速3000 rpm空載輸入功率383 W額定電流7.014 AU相電阻1.31 Q額定轉(zhuǎn)矩7.52 N.mV相電阻1.31 Q驅(qū)動器輸入電壓三相380VWf目電阻1.31 Q實驗所用主要設(shè)備：1 . DSP空制板（TMS320F28335 ;2 .功率驅(qū)動變頻器2臺；3 .永磁同步電機實驗平臺，包括永磁同步電機、扭矩傳感器、負

36、載電機；4 .泰克DPO201樂波器，帶三路高壓探頭，電流鉗表和串行總線分析；5 . LABVIEW匕位機平臺。實驗測量結(jié)果及數(shù)據(jù)采集在CCStudio_v3.3下完成，在交流220V的供 電電壓下測定（直流母線電壓 310V）。系統(tǒng)的調(diào)速范圍是-2000rpm至 +2000rpm,所有數(shù)據(jù)及曲線均在+1000rpm轉(zhuǎn)速下測得，并用到CCStudio_v3.3 軟件的圖形顯示功能，能夠?qū)嶋H數(shù)據(jù)通過圖形化顯示出來。具體實驗的過程在大賽提交的視頻中有完整的記錄。在視頻中，分別做 了以下幾組實驗的演示：1 .空載狀態(tài)下，0-1000rpm過程，包括正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。2 .空載狀態(tài)下，0-1500rpm過程，包括正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。3 .空載狀態(tài)下，-1500rpm -1500rpm 過程。4 .帶負載狀態(tài)下，0-1000rpm過程，包括正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。5 .帶負載狀態(tài)下，-1000rpm-1000rpm過程，包括正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。所測曲線: 永磁同步電機每相電流均為正弦波，如圖 6.1所示，相電流與相電流之問相差120°電角度，在1000rpm的轉(zhuǎn)速下，U相與V相電