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收稿日期:2008-07-20作者简介:彭 辉(1982-),男,硕士生,助理工程师.文章编号:1674-0076(2008)04-0036-05基于DSP 的全数字交流伺服驱动器设计与实现彭 辉(东莞华中科技大学制造工程研究院,广东东莞523808)摘 要:伺服驱动技术是自动化控制领域的关键技术之一,制造装备业对伺服驱动器提出了高集成度、快响应速度、宽调速范围、高稳定性、强抗干扰能力的要求.简要阐述了交流永磁式同步电机的磁场定向控制原理,设计了一款采用高性能基于DSP T MS320F2812为核心运动控制芯片,以智能功率模块F M 100C VA 120的IP M 为逆变器开关元件,辅以AT 89S52的单片机进行控制参数设定、键盘处理、状态显示、串行通讯的全数字交流伺服驱动器.该驱动器具有控制接口丰富、结构紧凑、宽调幅比等特点.关键词:交流伺服驱动器;矢量控制;数字信号处理中图分类号:TH137.3 文献标识码:ADesign and implementation of digital AC servo drives based on DSPPE NG Hui(DG 2H UST Manu facturing Engineering Research Institute ,Dongguan 523808,China )Abstract :In the automation and control field ,serv o 2driven technology is one of the key technologies.Manu fac 2turing equipment industry demand high level of integration ,faster response speed ,wide speed range ,high stabil 2ity ,strong anti 2interference capability of the serv o drives.In this paper ,we analyzed the vector control theory of AC PMS M principle and designed a high 2performance digital AC serv o drives ,which used DSP T MS320F2812as the core m otion control chips ,and IPM is FM 100C VA 120as the inverter switching com ponents ,supple 2mented by AT89S52MC U control parameters set ,keyboard handling and the all 2digital serial communication exchange serv o drives.The serv o driver is characteristic of rich control interface ,com pact construction and wide AM ratio.K ey w ords :AC spindle serv o drive ;vector control ;digital signal treatment0 引 言微电子、计算机、电力电子技术和电机制造技术取得的巨大技术进步,使得伺服驱动器作为一种传动装置在现代工业的各个领域得到了广泛的运用.随着微电子技术和功率电子技术的迅猛发展,伺服驱动器在经历了模拟式、模数混合式的发展后,进入了全数字式的时代.全数字交流伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺点,还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活性.为此结合笔者的工作经验,介绍了交流伺服驱动器的硬件和软件的设计与实现方案,采用高性能的DSP T MS320F2812为核心运动控制芯片,以智能功率模块FM 100C VA 120的IPM 为逆变器开关元件,配合AT89S52的单片机,应用转子磁场定向矢量控制技术,设计了一款高性能全数字交流伺服驱动器.实现了伺服驱动器的位置控制、速度控制、转矩控制、JOG 控制和内部速度控制方式.同时它具有控制简单灵活、状态显示齐全、接口丰富、结构紧凑、宽调幅比等优点,越来越受到自动化行业的青睐.1 交流永磁式同步电机的磁场定向控制原理矢量控制(vector control ),又称磁场定向控制(field 2oriented control )是在20世纪70年代初由美国学者和第27卷第4期2008年8月南昌工程学院学报Journal of Nanchang Institute of T echnology V ol.27N o.4Aug.2008德国学者各自提出的.联邦德国西门子公司的F.Blaschke 等提出“感应电机磁场定向的控制原理”.美国P 1C 1Custman 和A.A.Clark 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”,它们的诞生使交流伺服驱动技术在精细化方面上大大迈进了一步,以后在实践中许多学者进行了大量的工作,经过不断的改进,历经近30年的时间,达到了可与直流调速系统的性能相媲美的程度.永磁同步伺服电动机的模型是一个多变量、非线性、强耦合系统.为了实现动态过程的矢量控制,首先要实现解耦.转子磁场定向控制是一种常用的解耦控制方法.转子磁场定向控制实际上是将Odq 同步旋转坐标系统放在转子上随转子同步旋转.其d 轴(直轴)与转子的磁场方向重合(定向),q 轴(交轴)逆时针超前d轴90°(电角度).假设电动机是线性的,参数不随温度等变化,磁滞、涡流等损耗忽略不计.关于永磁同步伺服机的矢量关系如图1所示.图1 永磁同步伺服电机的矢量图基于电机统一理论的结论可以得到转子坐标系(d 2q 轴系)中的永磁同步电机定子磁链方程为Ψs d =L d i s d +Ψr , Ψs q =L q i s q ,式中Ψr 为转子磁钢在定子上的耦合磁链;L d ,L q 为永磁同步电动机的直、交轴主电感;i s d ,i s q 为定子电流矢量的直、交轴分量.定子电压方程为u s d =r s i s d +p Ψs d -ωΨs q , u s q =r s i s q +p Ψs q -ωΨs q ,式中u s d ,u s q 为定子电压矢量u s 的d ,q 轴分量;ω为转子角频率.转矩方程为T d =p m (Ψs d i s q -Ψs q i s d )=p m [Ψr i s q +(L d -L q )i s d i s q ].从上式可以看出,永磁同步电动机的电磁转矩基本上取决于定子交轴电流分量和直轴电流分量.在永磁同步电动机中,由于转子磁链恒定不变,故可采用转子磁链定向方式来控制永磁式同步电机.为了简化控制系统常取i s d =0,i s q =i s .这时,电磁转矩只与定子电流的幅值成正比即:T d =p m Ψr i s .这与直流电机原理类似,通过调整直流量i s q 来控制转矩,从而实现三相永磁式同步交流伺服电机力矩的控制参数解耦,达到了矢量控制的目的.2 伺服驱动器的硬件设计全数字交流伺服驱动器的硬件部分采用TI 公司的高性能DSP T MS320F2812为核心运动控制芯片,以三菱公司智能功率模块FM 100C VA 120的IPM 为逆变器开关元件,配合Atmel 公司AT89S52的单片机来组成主回路、控制电路、数据采集电路,完成交流伺服驱动器的位置控制、速度控制、转矩控制、JOG 控制和内部速度控制、状态显示、数据交换等相关功能.其硬件结构图如图2所示.2.1 TMS320F2812的基本结构T MS320F2812的CPU 是基于C28xT M 的32位定点内核,主频达150MH z.T MS320F2812芯片具有高度集成的结构,在片内集成大量的外设,这些外设包括:事件管理器E VA/E VB 、16通道12位模数转换器ADC 、看门狗定时器Watchdog 、通用输入输出引脚G PI O 、多通道缓冲串行外设McBSP 、改进C AN 总线接口、双通道串行通信接口SCI A/SCI B 、串行外设接口SPI 等.与C28xT M DSP 以前的芯片相比,T MS320F2812是C2000系列性能最高的芯片,实时处理能力强,能应用于很多复杂的控制算法如无速度传感器的定向控制、运动轮廓的识别和功率因数的校正等,并且其代码与以前各个型号的DSP 兼容,它也是目前处理C/C ++代码效率最高的DSP 芯片(就C2000系列而言).由于诸多优点,T MS320F2812DSP 有着广泛的应用空间.73第4期彭 辉:基于DSP 的全数字交流伺服驱动器设计与实现图2 全数字交流伺服驱动器的硬件结构图2.2 主回路交流伺服驱动器的主回路采用模块式设计,外接电源为三相AC380V ,经过整流、逆变处理后对交流伺服电机供电,其中整流电源部分和交—直—交电压源型逆变器通过公共直流母线(DC 660V )进行连接,整流电源部分采用二级管整流模块,同时驱动器设计了软启动电路,可以减少强电对主回路直流平波电容的冲击.逆变器采用三菱智能功率模块FM 100C VA 120.为了有效保护伺服驱动,在主回路中设置了过压、欠压、电机过热、制动异常、编码器反馈异常、电机超速和通讯故障保护功能.在驱动器的工作过程中,通过软、硬件配合检测,一旦出现故障,就会将故障信号经逻辑电路后可直接封锁开关脉冲,来保护伺服驱动器不受损坏.2.3 控制电路交流伺服驱动以TI 公司的T MS320F2812的DSP 为芯片核心,凭借T MS320F2812强大的功能来实现矢量变换、电流环、速度环、位置环控制、产生伺服脉宽调制信号以及各种故障保护处理等.为了实现系统的快速实时控制,系统在设计上采用了MC U AT89S52+DSP 结构,其中DSP 完成高速的矢量控制和闭环控制,MC U 完成控制参数设定、键盘处理、状态显示、串行通讯等,并且与DSP 之间的并行数据交换、外部I/O 信号管理、位置脉冲指令处理及计数、故障信号处理、编码器计数等功能,系统可以支持模拟速度输入、数字速度输入、脉冲输入以及通过上位机对系统进行控制等多种方式.驱动器的控制电源采用开关电源供电,外接电源为单相AC220V.开关电源功率开关器件选用T OP227Y,该电源属于T OP 系列的第二代产品,其功率开关管耐压值高达700V ,具有以下显著特点.(1)将脉宽调制控制系统的全部功能集成到三端芯片中,内含脉宽调制器、功率开关场效应管、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,真正实现了无工频变压器、隔离、反激式开关电源的单片集成化.(2)属于漏极开路输出并利用电源来线性调节占空比实现AC/DC 变换,电流控制型开关电源.(3)输入交流电压和频率的范围很宽.(4)只有3个引出端.能以最简单方式构成无工频变压器的反激式开关电源,其控制端属于多功能引出端,可完成多种控制、偏置及保护功能,具有连续和不连续两种工作模式,反馈电路有4种基本类型,能构成各种普通型和精密型开关电源.(5)开关频率的典型值为100kH z ,允许范围是90～110kH z ,占空比调节范围是1.7%～67%.(6)外围电路简单,仅须接整流滤波器、高频变压器、漏极嵌位保护电路、反馈电路和输出电路.(7)芯片本身功耗很低,电源效率高,可达80%左右,最高可达90%.(8)体积小、效率高,又具有线性稳压电源稳定性好、纹波电压低等优良特性.(9)采用这种芯片能降低开关电源所产生的电磁干扰.(10)其工作温度范围是0～70℃,芯片最高结温T o m =135℃.83南昌工程学院学报2008年对于电机光电编码器的供电电源,考虑其反馈信号线上的电压降落可能比较大,会影响到反馈信号的可靠性,因此采用带反馈调节的AC -DC 变换器单独供电.2.4 数据采集电路为了捕捉电机的转子位置和转速,进行实时检测,采用光电编码器.该编码器分辨率为1024脉冲/r ,输出信号包括A 、B 、Z 脉冲信号,其中A 、B 信号互差90°(电角度),DSP 通过判断A 、B 的相位和个数可以得到电机的转向和速度.Z 信号每转一圈出现一次,用于位置信号的复位.光电编码盘脉冲信号送入DSP 后,经内部QEP 电路实现四倍频,因此电机每圈的脉冲数是4096个.其输出信号送入DSP T MS320F2812的I/O 和QEP 单元后,即可通过位置的微分运算得到转速信号.采用磁平衡式霍尔电流传感器采样A 、B 两相电流反馈i a ,i b ,获得实时的电流信息.3 伺服驱动器的软件设计在伺服系统的设计中,在实时性允许的前提下,一般来说,总是尽可能的用软件资源代替硬件资源,以降低成本,简化硬件系统结构,提高系统的性价比.本驱动器采用的DSP T MS320F2812运动控制芯片就具备上述要求.它通过软件变成可以灵活的实现矢量PW M 输出、速度检测、电流检测等功能.为了配合硬件的设计,达到预期效果,其软件程序部分的设计主要包括主程序、中断服务程序、数据交换程序.3.1 主程序主程序用来完成系统的初始化,I/O 接口控制信号,DSP 内各个控制模块寄存器的设置等,然后进入循环程序.初始化工作主要包括:DSP 内核的初始化;电流环、速度环的周期设定;PW M 初始化,包括PW M 的周期设定,死区设定,以及PW M 的启动;ADC 初始化及启动;QEP 初始化;矢量和永磁同步电机转子的初始位置初始化;进行多次伺服电机相电流采样,求出相电流的零偏移量;电流和速度PI 调节初始化等.所有的初始化工作完成后,主程序进入等待状态,以等待中断的发生,进行电流环和速度环的调节.其流程图如图3所示.3.2 中断服务程序 图3 主程序流程图 图4 PW M 定时中断程序流程图中断服务程序包括:PW M 定时中断程序、光电编码器零脉冲捕获中断程序、功率驱动保护中断程序和通讯中断程序.其中PW M 定时中断程序是用来对霍尔电流传感器采样A 、B 两相电流i a 和i b ,进行采样,并定标.根据磁场定向控制原理,计算转子磁场定向角,然后来生成PW M 信号,对位置环和速度环进行控制.其流程图如图4所示.光电编码器零脉冲捕获中断程序可实现对编码器反馈零脉冲精确地捕获,从而得到交流永磁同步电机矢量变换定向角度的修正值;功率驱动保护中断程序则用于检测智能功率模块的故障输出,当出现故障时,DSP 的PW M 通道将被封锁,从而使输出变成高阻态;通讯中断程序主要用来接收并刷新控制参数,同时设置运行模式.3.3 数据交换程序数据交换程序主要包括与上位机的通讯程序、EEPROM 参数的存储、控制器键盘值的读取和数码管显示程序.其中通讯采用RS232接口,根据特定的通讯协议接受上位机的指令,并根据要求传送参数和下载参数.EEPROM 的数据交换通过AT89S52MC U 来完成周期扫描和新显示和键值.93第4期彭 辉:基于DSP 的全数字交流伺服驱动器设计与实现4 设计结果验证与分析为了验证本全数字交流伺服驱动器的性能,采用华中数控的H NC 222M D 数控系统来连接本次所设计的驱动器,并且带上交流伺服电机空载运行.交流伺服电机的型号为GK 606326AC612FE.额定扭矩为11N ・m ,额定电流5.6A ,额定转速2000r/min ,编码器输出脉冲为2500脉冲/r.实验结果如图5、6所示.图5 电机相电流跟踪响应特性曲线 图6 电机空载时转速阶跃响应特性曲线 图5是电机的相电流跟踪响应特性曲线:从图中可以看出,本驱动器具有良好的低速响应特性.图6是电机空载时从静止到2000/min 的转速阶跃响应特性曲线.从图中可以看出,转速阶跃响应特性相当快,而且超调非常少.运行平稳.通过实验结果表明:本设计方案可以实现交流伺服器的位置控制、速度控制、转矩控制、JOG 控制和内部速度控制,同时具有较高的控制精度和较快的响应速度,它可以保证高速高精的设计要求.5 结束语本文提出了基于DSP 的全数字交流伺服驱动器设实现方案,该方案充分利用了DSP 的高速运算能力和丰富的片内外设资源,配合MC U 的使用,减轻了DSP 的负担.使伺服驱动器集实时处理能力和控制器的外设功能于一身,实现了驱动器的实时性和快速性.具有宽调速范围,较高的控制精度,良好的动静态性能和完善的保护功能.全数字交流伺服驱动器的使用,可以有效地提高制造装备业自动化的水平,推动社会的进步.参考文献:[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1997.[2]宋 宝,唐小琦,吴建昆.全数字交流伺服驱动器设计与研究[J ].机械与电子,2004,(1):39-42.[3]王爱祥,刘日宝.全数字交流伺服驱动器的研究[J ].现代雷达,2006,(3):66-69.[4]邢 杰.基于DSP 的全数字流伺服驱动器设计[J ].机械管理开发,2005,(2):59-60.[5]李叶松,宋 宝,秦 忆.全数字永磁式同步电机伺服系统设计[J ].电力电子,2002,(3):66-69.04南昌工程学院学报2008年。
一种32位浮点型处理器的励磁控制器设计杜志强【摘要】针对同步发电机励磁控制系统在控制精度和控制稳定性方面存在的不足,通过对国内外励磁控制系统发展状况的分析,提出了一种基于32位浮点型处理器的数字式励磁控制系统.该系统通过将先进的交流采样算法和DSP的优异性能相结合,实现了励磁控制器的深度数字化;通过对同步发电机系统关键模拟量的采集与计算,得出适用于当前工况下触发脉冲角度α.试验验证了该设计能很好地解决发电机励磁控制系统中的稳定性问题.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2014(035)009【总页数】4页(P38-41)【关键词】数字式励磁控制器;智能仪表;双CAN网络;智能显示;交流采样【作者】杜志强【作者单位】天津中德职业技术学院,天津300350【正文语种】中文【中图分类】TP23励磁系统作为发电机系统的重要组成部分,一直是控制领域的研究热点。
随着单片机、DSP等微处理器在励磁控制装置核心控制器中的应用,数字式励磁控制器逐渐成为发展趋势[1]。
目前,国内市场上推出的控制器一般都以16位/32位单片机、32位(定点型) DSP处理器为核心,其在数据运算和处理的能力上都存在或多或少的缺点和不足。
由于处理器本身是定点型处理器,故在实际运算过程中会增大计算误差,进而增大系统误差,这样会对整个发电机系统的控制精度与响应产生影响。
为了提高励磁控制系统的各项性能指标和运行参数精度,研究一种以新型的32位浮点型DSP芯片为核心的数字励磁控制系统成为同步发电机励磁系统的发展需要[2-3]。
本文提出了一种以新型的32位浮点型DSP芯片为核心的数字励磁控制系统。
该系统一方面可以克服现有的一些技术缺陷;另一方面系统硬件设计使用交流采样芯片,采用交流采样算法,并结合浮点型处理器的优越性能,使得励磁控制系统的各项性能指标和运行参数精度都得到了提高[4]。
此外,该励磁控制系统选用了性能优异的可触摸平板电脑,通过双高速CAN网络与主控单元连接,构成系统的智能显示模块。
![基于DCS系统的电机控制方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/3fa27b10492fb4daa58da0116c175f0e7dd1197d.png)
[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公布说明书[11]公开号CN 101667807A [43]公开日2010年3月10日[21]申请号200910153487.6[22]申请日2009.10.12[21]申请号200910153487.6[71]申请人华章电气(桐乡)有限公司地址314500浙江省桐乡市经济开发区振华路1068号[72]发明人徐小伟 倪锋 李家华 赵东明 张庆华王冠俊 程小文 赵理行 鄢来鹏 金皓 [74]专利代理机构浙江永鼎律师事务所代理人王梨华 陈丽霞[51]Int.CI.H02P 29/00 (2006.01)权利要求书 2 页 说明书 11 页 附图 6 页[54]发明名称基于DCS系统的电机控制方法[57]摘要本发明涉及电机控制方法，公开了一种基于DCS 系统的电机控制方法。
它是由计算机通过网络通讯设定电机运行和控制参数，实现对电机的运行和控制，DCS系统包括控制电机和与控制电机相连的上位计算机，控制电机连接有若干个不同类型的电机，控制电机内设标准电机模块；其控制方法是，先进行各电机的设备参数、运行参数、启动停止参数、故障报警参数的设置，再调用电机子程序，通过调用标准电机模块实现对不同类型的电机进行信号处理和控制，然后子程序处理完毕后返回控制电机的本体程序，同时在上位计算机的显示窗口输出相应的控制指令、各电机的当前运行状态和故障信息。
本发明的电机控制设计成一个标准电机模块，提高了通用性。
200910153487.6权 利 要 求 书第1/2页 1.基于DCS系统的电机控制方法，是由计算机通过网络通讯设定电机运行和控制参数，实现对电机的运行和控制，其特征在于：所述DCS系统包括控制电机和与控制电机相连的上位计算机，控制电机连接有若干个不同类型的电机，控制电机内设标准电机模块；其控制方法是，先进行各电机的设备参数、运行参数、启动停止参数、故障报警参数的设置，再调用电机子程序，通过调用标准电机模块实现对不同类型的电机进行信号处理和控制，然后子程序处理完毕后返回控制电机的本体程序，同时在上位计算机的显示窗口输出相应的控制指令、各电机的当前运行状态和故障信息。
河海大学物联网工程学院本科毕业论文参考说明：⏹相关论文为团队整理的非官方的参考，仅作格式和内容写作参考，具体论文写作以学院和导师要求为准；⏹论文整理仅为方便各位同学交流学习之用，更多资源可以关注团队网站整理发布：孙浩毕业设计（论文）基于STM32和CPLD的可编程电机控制器的设计与研究专业年级 2007级自动化学号 20072167姓名孙浩指导教师张学武评阅人2011年6月中国常州河海大学本科毕业设计（论文）任务书（理工科类）1、毕业设计（论文）题目：基于STM32和CPLD的可编程电机控制器的设计与研究2、毕业设计目标：(1)培养综合运用知识、独立开展工程实践的能力；(2)结合课题任务得出合适的软硬件设计方案，训练分析与解决问题的能力(3)掌握C语言的编程与调试，训练运用C语言编程解决实际问题的能力(4)通过设计熟悉嵌入式系统在工业控制上的应用，掌握工业控制中的电气隔离、系统调试等方面的设计。
(5)通过独立完成毕业论文，熟悉查找外文文献的方法，掌握研究总结和论文的基本写作要领，培养独立撰写科技论文的能力。
3、研究方法及手段应用：(1)讨论确定研究的基本内容和相关技术，了解研究的背景。
(2)利用互联网和学校图书馆的资料，查找相关的知识，学习设计中需要研究的内容和相关知识。
(3)研究学习工业控制中的电气隔离、功率驱动等技术，学习处理器的相关外设，并能够熟练编程。
4、进度安排：2010.11-2010.12 选题，查阅相关书籍资料，确定好基本的设计方案，完成基本的原理图设计。
2011.1-2011.2研究学习相关的模块，完成第一版电路的硬件设计和制作，并进行部分外设的底层驱动开发。
2011.3-2011.5根据第一版电路的硬件设计和调试基础，设计第二版电路，完善电路设计，规范控制器的接口，完成最终的设计。
2010.6.1~2010.6.20 总结，撰写论文，准备答辩。
5、主要参考资料：[1] 王勇虹；徐炜STM32 系列ARM Cortex—M3 微控制器原理与实践2008 -北京: 北京航空航天大学出版社[2] JJ Labrosse 嵌入式实实时操作系统UCOS-II 2003 - 北京: 北京航空航天大学出版社[3] 杜尚峰CAN总线测控技术及其应用2006 北京：电子工业出版社指导教师：张学武时间：2010.12.7学生姓名：孙浩专业年级：07自动化摘要电动机是工业生产中不可缺少的一部分。
基于32位DSC开放式交流伺服电动机驱动控制台的研制谢玉春罗苏华高睿毛永乐电气工程及自动化学院指导教师：杨贵杰一、课题研究目的基于嵌入式实时性能、强大的DSP处理能力、快速的中断响应速度以及高容错能力的32位DSC TC1166器件实现永磁无刷直流电动机的驱动控制的实验教学和开发应用，建立以数字技术为核心的永磁无刷直流电动机的驱动控制平台，运用现代电机控制理论完善的电机控制算法程序库，实现数字正弦波脉宽调制(SPWM)方法、正弦波原理无刷直流电动机驱动与控制、永磁同步电动机的磁场定向（FOC）控制系统的实验分析与研究。
因此依据电机控制技术的发展方向研制基于32位DSC开放式交流伺服电动机驱动控制平台，并将其应用于《一体化电机系统的驱动与控制》本科生创新课程教学中具有重要的理论意义和实用价值。
由于平台系统采用开放式、模块化结构和可重构、可任意扩展功能，因此所研制的平台系统具有先进性。
二、课题背景现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一方面又不断地有技术指标极其苛刻的特殊应用的系统需求。
可靠性高、实时性好是对电机控制系统的基本要求。
微电子技术和计算机技术的飞速发展以及控制理论的完善、仿真工具的日渐成熟，给电机控制行业带来了很多发展的机遇；同时现代电力电子技术的发展，使得功率器件的开关频率越来越高，各项性能也越来越好。
而传统的基于单片机软件运算的控制系统，由于速度慢、开发周期长等弱点，已越来越不适应现代高性能伺服系统的要求以及时代发展的需要。
数字信号控制器（DSC）的出现，特别是高性能的32位DSC的出现，为电机系统实现全数字高性能的控制提供了软硬件基础，并且在电机驱动控制领域得以广泛应用，代表着当今电机驱动控制的发展方向。
三、课题研究主要内容项目研究的主要内容可概括为以下三个方面:1）、设计一个基于32位DSC TC1166的永磁无刷直流电动机驱动控制平台；2）、研制基于32位DSC TC1166电机控制算法程序库，完成电机控制算法程序的仿真和验证。
基于DSP2812的全数字交流伺服系统的实现赵香桂;董海鹰;赵宇坤【摘要】以TMS320F2812为主控制器,设计了一种全数字化的交流伺服系统.给出了系统的硬件组成和软件实现方法.并采用了位置环、速度环、电流环的三闭环控制策略和转子磁场定向矢量控制方案,充分利用了DSP的高速运算能力和丰富的片内外资源,对系统进行了加栽实验和位置伺服控制实验.实现了交流电机的全数字伺服控制.实验结果表明该系统具有良好的动态和静态特性,可广泛用于电气传动装置中.【期刊名称】《电气传动自动化》【年(卷),期】2010(032)006【总页数】4页(P23-25,47)【关键词】交流伺服系统;矢量控制;三闭环;DSP【作者】赵香桂;董海鹰;赵宇坤【作者单位】兰州交通大学,自动化与电气工程学院,甘肃兰州,730070;兰州交通大学,自动化与电气工程学院,甘肃兰州,730070;兰州交通大学,自动化与电气工程学院,甘肃兰州,730070【正文语种】中文【中图分类】TM383.4+21 引言随着微电子技术的不断发展，数字伺服系统逐步取代了传统的模拟式、模数混合式伺服系统，并在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如数控机床、工业机器人大规模集成电路、雷达以及军用武器随动系统等［1-2］。
研究高速、高精度、高可靠性和强抗干扰能力的嵌入式微控制器的全数字伺服系统，已成为当代电机伺服控制系统发展的趋势。
TMS320F2812 DSP芯片功耗低、指令执行周期短、外设资源丰富，是用于电机控制的高性能、多功能的32位定点芯片［3］。
本文基于DSP2812，采用矢量控制技术，实现对交流电机的全数字位置伺服控制，并对实验结果进行了分析。
2 交流伺服电机的控制方案异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
为了使调速系统具有较高的动态性能，本文采用按转子磁场定向的矢量控制方案。
矢量控制技术利用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现对定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和转矩分别控制的目的，这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制,因而可获得与直流调速系统性能相媲美的静态及动态性能［4］。
基于32位DSC开放式交流伺服电动机驱动控制台的研制谢玉春罗苏华高睿毛永乐电气工程及自动化学院指导教师：杨贵杰一、课题研究目的基于嵌入式实时性能、强大的DSP处理能力、快速的中断响应速度以及高容错能力的32位DSC TC1166器件实现永磁无刷直流电动机的驱动控制的实验教学和开发应用，建立以数字技术为核心的永磁无刷直流电动机的驱动控制平台，运用现代电机控制理论完善的电机控制算法程序库，实现数字正弦波脉宽调制(SPWM)方法、正弦波原理无刷直流电动机驱动与控制、永磁同步电动机的磁场定向（FOC）控制系统的实验分析与研究。
因此依据电机控制技术的发展方向研制基于32位DSC开放式交流伺服电动机驱动控制平台，并将其应用于《一体化电机系统的驱动与控制》本科生创新课程教学中具有重要的理论意义和实用价值。
由于平台系统采用开放式、模块化结构和可重构、可任意扩展功能，因此所研制的平台系统具有先进性。
二、课题背景现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一方面又不断地有技术指标极其苛刻的特殊应用的系统需求。
可靠性高、实时性好是对电机控制系统的基本要求。
微电子技术和计算机技术的飞速发展以及控制理论的完善、仿真工具的日渐成熟，给电机控制行业带来了很多发展的机遇；同时现代电力电子技术的发展，使得功率器件的开关频率越来越高，各项性能也越来越好。
而传统的基于单片机软件运算的控制系统，由于速度慢、开发周期长等弱点，已越来越不适应现代高性能伺服系统的要求以及时代发展的需要。
数字信号控制器（DSC）的出现，特别是高性能的32位DSC的出现，为电机系统实现全数字高性能的控制提供了软硬件基础，并且在电机驱动控制领域得以广泛应用，代表着当今电机驱动控制的发展方向。
三、课题研究主要内容项目研究的主要内容可概括为以下三个方面:1）、设计一个基于32位DSC TC1166的永磁无刷直流电动机驱动控制平台；2）、研制基于32位DSC TC1166电机控制算法程序库，完成电机控制算法程序的仿真和验证。
3）、基于32位DSC TC1166电机集成控制器实现永磁无刷直流电动机的驱动控制（实验演示）。
(1)、基于32位DSC TC1166永磁无刷直流电动机的驱动控制平台的架构近年来数字控制处理芯片的规模，运算能力和可靠性得到了很大提高，以及电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，使得DSP和高性能的MCU以及FPGA广泛应用于交流伺服电动机驱动控制系统中，取代了以前的模拟器件控制系统。
采用全数字控制技术，结合电机驱动控制理论来设计和构成具有开放式、可编程的嵌入式电机驱动控制系统。
以德国Infineon 公司32位DSC TC1166电机集成控制器为核心，应用数字控制技术，构造一个开放式永磁无刷直流电动机的驱动控制平台。
平台系统包括1台上位控制计算机、1台伺服控制器、1台带有旋转变压器的永磁无刷直流电动机、一套转矩/转速测试仪和一台磁粉制动器。
其重点研制以32位DSC TC1166电机集成控制器为核心伺服控制器。
其系统硬件结构框图如图1所示图1基于DSC 的永磁无刷直流电动机的驱动控制平台系统结构框图(2)、电机控制算法程序库的编制、仿真和调试作为复杂的永磁无刷直流电机驱动控制系统, 该项目将涉及几十个电机控制程序模块, 每一个程序模块都是具有特定功能的独立子程序，、可任意扩展到不同的控制重复使用。
基于32位DSC TC1166电机集成控制器，主要包括：电流采样、矢量变换、电流PI 调节、速度PI 调节、空间矢量脉宽调制、电流保护和通信等程序模块。
程序模块均采用C 高级语言编制，其专业性强，软件结构较为复杂工作量大。
利用现有的32位TriCore TM 硬件仿真器，完成电机控制程序模块的仿真、调试。
整个控制系统的软件结构如图2所示：TC1166图2 DSC TC1166 DSP器件为核心的伺服控制器(3)、基于32位DSC TC1166的永磁无刷直流电动机的驱动控制系统电机控制程序模块的仿真、调试最终的目的是要在32位DSC TC1166器件中集成出一个SOC（System on a Chip）高性能永磁无刷直流电动机的驱动控制系统。
在以TC1166为核心的硬件开发平台上，将系统所用的电机控制程序模块，进行连接，仿真、调试，形成一个开放式高性能永磁无刷直流电动机伺服控制器。
整个驱动控制系统原理框图如图3所示：图3 驱动控制系统原理框图四、结论1 完成了基于32位DSC开放式交流伺服电动机驱动控制平台的硬件搭建整个驱动控制系统平台硬件可分为三部分（一）控制电路分为连接插件、时钟、外设、仿真头、AD转换、芯片供电电源等7部分组成，原理图如图4所示：控制电路板实物如图5所示：图5 控制电路板（二）功率驱动电路及信号检测电路包括：功率管的驱动和电流电压检测（电流霍尔传感器）电路，原理图及实物图如图6所示：图6功率驱动及信号检测电路（三）开发系统应用平台被控电机为一台额定值为P=460w,U=220v,I=1.5A,n=1500 rpm的无刷直流电机，为了向控制板提供其转子角度位置，需要一台旋转变压器检测转子位置信号，以及一台负载直流电机。
以下为其硬件实物图：图7 开发系统应用平台2 完成了基于32位DSC开放式交流伺服电动机驱动控制平台的软件编辑、仿真利用TC1166其出色的嵌入式实时性能、强大的DSP 处理能力、快速的中断响应速度以及高容错能力，诸如矢量变换、电流PI 调节、速度PI 调节、空间矢量脉宽调制等程序模块可以集成在单个微控制器中。
整个驱动控制系统平台的软件程序模块包括：电流采样、矢量变换、电流PI 调节、速度PI 调节、空间矢量脉宽调、电流保护和通信等。
作为复杂的永磁无刷直流电机驱动控制系统, 该项目将涉及几十个电机控制程序模块, 每一个程序模块都是具有特定功能的独立子程序，可任意扩展到不同的控制重复使用。
基于32位DSC TC1166电机集成控制器，根据上述控制方法，控制系统软件可分为主程序、串行通信中断服务程序、外部中断服务程序、定时中断服务程序等。
绘制的各程序流程图如图8所示：c)d)（e ）(f )图8 控制程序流程图a)主程序 b)串行通讯服务子程序 c)外部中断0服务子程序 d)电动机驱动主程序 e)T0定时服务字程序 f)T2定时中断子程序 (一)无刷直流电机矢量控制原理矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值进行控制。
当电动机的励磁磁链和直交轴电感确定以后，电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量，而定子电流空间矢量由和决定的，也就是说，控制着两个变量就可以控制电动机的转矩。
一定的转速和一定的转矩对应于一定的和，通过对这两个电流的控制(图9)，使实际的和跟踪指令值，便实现了电动机的矢量控制。
在交流同步电动机中，励磁磁动势与电枢磁动势间的空间角度不是固定的，它随负载而变化，特别在动态情况下，这将会引起磁场间十分复杂的作用关系，因此不能简单的通过调节定子电流来控制转矩。
矢量控制就是利用外部条件，对定子电流空间矢量相位和幅值的控制。
图9-1 BLDC 空间矢量图 图9-2 BLDC 磁场定向空间向量图在矢量控制中，一个特殊选择是使定子正弦磁动势与永磁体基波励磁磁动势正交，常将这种=0），实现了情况称为“磁场定向”（如图2-2所示）。
此时，转子参考坐标系中dq轴解耦（id对直流电动机的严格模拟。
矢量控制引入空间矢量和适量变换，将电机定子电流进行解耦，类似于直流电机，对转矩和磁通进行分别控制进行分别控制。
由静止坐标系到静止坐标系转化需要知道转子位置信息。
本系统采用旋转变压器检测转子位置信号，旋转变压器输出地模拟信号经快速AD转换之后通过磁链计算，反解出转子位置角度。
角度经微分运算即得速度。
转子位置信号送入PARK变换（2s/2r 变换）对反馈电流进行交直变换，然后进入控制器与给定值进行PI调节，所得结果送入parkni逆变换模块，配合转子位置信息对结果进行直交变换，这样得到地结果是两路互差90电角度的正弦波，将其输入SVPWM模块，就可得到所需的开关逻辑，将开关信号给功率驱动电路，就可驱动无刷直流电机旋转。
图10为电流PI算法及空间矢量控制算法流程图图10 电流PI算法及空间矢量控制算法流程图五、问题、体会与收获项目初期，由于对电机驱动控制的相关知识学习深度以及自身英语水平的不足，在阅读Infineon MCU英文资料以及电机控制国外资料时，有明显的不适应和困难，对相关概念不是十分了解，从而影响学习和项目进程。
课程学习任务重，没有足够时间和精力投入到项目的研究之中，项目进展相对缓慢。
随着专业课程的开展，项目成员可以将课堂知识很好地运用到项目之中，很好地解决了课堂学习和科技创新的冲突，而且二者互相促进，理论和实践很好的结合起来。
在项目实施过程中，需要课堂到工程实践的转变，项目成员发觉自身动手能力，具体工程问题解决能力都还有很多的不足。
在指导教师和实验室学长的帮助指导下自身的能力在逐渐提高，在后期的项目进展过程和不断的学习实践中，在老师和学长的帮助下，自身工程实践能力得到进一步提高。
六、结束语与致谢项目是在电气工程及自动化学院电磁驱动与控制实验室杨贵杰教授的指导下完成的，将近一年的时间里，从论文的选题、研究工作的开展、关键问题的解决、论文的撰写乃至修改，每一个环节都是与老师的精心指导分不开的。
感谢学校给了我们在实践中锻炼自己、提高自己和展现自己的机会。
感谢指导老师杨贵杰教授对我们的谆谆教导，感谢指导老师和实验室师兄给予我们的莫大帮助，这一年的时间是我们人生的宝贵财富，在未来的日子里我们将继续努力，以此为起点，开创属于我们的天地。
七、参考文献[1] 李崇坚. 交流永磁同步电机调速系统. 科学出版社, 2006[3] 林平. 变频控制系统集成模块及其控制芯片技术的研究. 浙江大学博士学位论文. 2003 [2]David A. Patterson, John L. Hennessy. 计算机组成和设计: 硬件/软件接口. 郑纬民等译. 第2版. 清华大学出版社[4] Tian-Hua Liu, Chang-Huan Liu. A Multiprocessor-Based Fully Digital Control Architecture for Permanent Magnet Synchronous Motor Drives. IEEE Transactions on Power Electronics. 1990, 5(4): 413~423[5] AP32084-Sinusodial 3-Phase Output Generation Using The TriCode General Purpose Timer Array (V1.0)-200501[6] Hoang Le-Huy. Microprocessors and Digital ICs for Motion Control. Proceedings of the IEEE. 1994, 82(8): 1140~1163[7] KH. M. Assar, I. S. Ashour, E. M. Saad, A. M. Rashid. A New Compact Control Unit for CNC Using SoCs Technology. Proceedings of the 15th IEEE International Conference on Microelectronics, ICM’03, Cairo, Egypt, 2003: 318~321。
