（机械电子工程专业论文）基于tms320f240的数字交流伺服系统的开发研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着永磁同步电机( p m s m ) 的广泛应用及其对它的控制要求的不断 ti ， 提高，普通的单片机越来越不能满足要求本文介绍了我们采用t i 公司 的数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 作为控制器开发的数字交流伺服控 制系统的软、硬件设计并给出了实验结果。 首先概述了伺服技术的发展，特别是p m s m 伺服技术的特点及应用， 总结了矢量控制理论的发展及实现方法，然后重点介绍了我们开发的数字 交流伺服控制系统控制部分的硬件电路，包括采用g a l 可编程芯片扩展了 6 4 k 高速随机读写存储器，与p c 机通讯用的异步串行通信接口( s c i ) ，矢 量控制所必需的脉宽调制( p 删) 硬件接口电路，编码器的正交脉冲输入 ( q e p ) 隔离电路以及模数转换( a d ) 接口电路。使用霍尔电流传感器设 计、实现了电流信号的采集、转换电路。以三菱公司的智能功率模块( i p m ) p m 2 5 r s b l 2 0 为逆变桥，设计了功率逆变电路，实现了一种具有自保护功 ， 能的功率驱动电路。i 在硬件电路的基础上，软件采用c 和汇编语言混合 编程，实现了开环的变频控制，电流、转速双闭环矢量控制等；讨论并实 现了一种确定转子初始角的方法：基于空间矢量s v p w m 原理，介绍了 s v p w m 的实现方法及死区控制。最后。通过实验验证了设计方案正确、 可靠。斗 关键词：数字信号处理器；矢量控制i 智能功率模块；脉宽调制。 第1页 、 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e w i d e l y u s ea n dh i g h e rn e e do fc o n t r o l p e r f o r m a n c e o f p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ，t h ec o m m o ns i n g l ec h i p m i c r o c o n t r o l l e r ( s c m ) h a sc a nn o tm e e tt h i s n e e d i nt h i sp a p e r , a na c d i g i t a l s e r v o s y s t e md e v e l o p e db yu s w i t ht i c o m p a n y sd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 a sc o n t r o l l e ra n dt h ed e s i g no fi t ss o f t w a r e a n dh a r d w a r ea r ei n t r o d u c e d t h er e s u l to fi t se x p e r i m e n t si sg i v e n f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n t o fs e r v ot e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ef e a t h e ra n d a p p l i c a t i o n o fs e l v o t e c h n o l o g y o f p m s m ，a r e s u m m a r i z e d t h e d e v e l o p m e n t a n dt h ew a y so fr e a l i z a t i o no fv e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l ea r ea l s o s u m m a r i z e d t h e nt h eh a r d w a r eo ft h es y s t e md e v e l o p e db yu si sd e s c r i b e d ： i n c l u d i n g t h e6 4 kh i g h s p e e d r a me x t e n d e dw i t hg a l ，t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c e ( s c l ) c o m m u n i c a t i n gw i t hp c ，a n dt h eo t h e r n e c e s s a r yt or e a l i z et h ev e c t o rc o n t r o ls u c h a sp u l s e 绛i 酗m o d u l a t i o n ( p w m ) i n t e r f a c ec i r c u i t ，i n s u l a t i o n c i r c u i t o f q u a d r a t u r e e n c o d e rp u l s e ( q e p ) a n a l o g - t o d i g i t a lc o u v e r t e r ( a d c ) i n t e r f a c e c i r c u i ta r ee x t e n d e d t h e c i r c u i to fs a m p l i n ga n dc o n v e r t i n gc u r r e n ts i g n a li sd e s i g n e du s i n gt h eh a l l s e n s o r t h ep o w e ri n v e r t e rc i r c u i ti sd e s i g n e dw i t hm i t s u b i s h i c o m p a n y s i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e s ( i p m ) p m 2 5 r s b l 2 0a s i n v e r t e rb r i d g ea n da s e l f - p r o t e c t i o np o w e rd r i v e nc i r c u i ti sd e s i g n e da n dr e a l i z e db yu s b a s e d o n t h eh a r d w a r ec i r c u i t t h es o r w a r ei s p r o g r a m m e dw i t hca n da s s e m b l y l a n g u a g e t h ev a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o lo fs p e e da n dd u a lc l o s el o o p c o n t r o lw i t hf e e d b a c ko f s p e e d a n dc u r r e n ta r er e a l i z e d aw a yo f s e t t i n gt h e 第页 山东大学硕士学位论文 i n i t p h a s eo fr o t o r i sd i s c u s s e da n dr e a l i z e d b a s e do nt h e s p a c ev e c t o r p r i n c i p l e ( s v p w m ) ，t h ew a yo fr e a l i z i n g s v p w ma n dt h ed e a d - b a n d c o n t r o la r ed e s c r i b e d a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h ep r o j e c t i o ni s p r o p e ra n dc r e d i b l e k e y w o r d s ：d s p ，v e c t o rc o n t r o l ，i p m ，p w m 第l l i页 山东大学硕士学位论文 1 引言 永磁同步电机( p m s m ) 具有较高的运行效率和转矩密度、转动惯量小、 转动脉动小、可高速运行等特点，因此在诸如高性能机床进给控制、位置 控制、机器人等领域p m s m 得到了广泛的应用。 1 1 课题的背景与意义 随着科学技术的发展，对伺服系统提出了高速、高精度和高可靠性的 要求，人们采用各种现代控制理论、各种智能技术来提高伺服系统性能； 这样，对作为主要环节的电机伺服控制器的硬件、控制算法及实现在实时 性、动态性能、可靠性等方面提出了更高的要求。普通单片机越来越不能 满足要求，数字信号处理器( d s p ) 技术的发展为先进控制理论以及复杂控 制算法的实现提供了有力的支持。由于d s p 采用了多总线的哈佛结构、专 用的硬件乘法器( 一个指令周期内完成乘法和加法两种运算) 等方法使其获 得了高速计算能力，能够实时地完成复杂控制算法，所以d s p 已成为高性能 传动控制系统设计的首选器件：而空间矢量p w m ( s v p w m ) 指的是三相功率 逆变器中功率器件的一种特殊开关电路，它产生的三相交流电机绕组电流 的谐波失真最小，提供了比正弦调制方式更有效地利用直流电源的方法， 并且容易数字化实现。 、 本文研究并建立了。套以数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 为硬件平台的 交流电机实验开发环境。可以用于数控机床的主轴调速和进给控制，提高 加工精度；用于机器人，可实现智能控制i 用于风机、水泵等的驱动，可 第l 页 山东大学硕士学位论文 以取得明显的节能效果。本系统主要用于新型控制算法的研究、商品化伺 服系统开发。 1 2 交流调速技术发展的概况与趋势 从2 0 世纪3 0 年代起，人们就致力于交流调速技术的研究，但进展缓 慢。随着技术的进步，特别是7 0 年代以来的电力电子技术和控制技术的 发展，使得交流调速性能逐渐可以和直流调速相媲美，目前，交流调速技 术已进入取代直流调速的时代乜“1 。 1 2 1 电力半导体器件的发展 交流调速系统中，功率主回路中的电力半导体器件是现代电力电子设 备的心脏和灵魂。电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。由 5 0 年代出现的晶闸管( s c r ) 构成的静止变频电源取代了旋转变频机组实 现了变频调速。然而，晶闸管属于半控型器件，构成的逆变器用于交流调 速系统必须附加强迫换向电路。7 0 年代以后，功率晶体管( g t r ) 、门极 关断晶闸管( g t o 晶闸管) 、功率m o s 场效应管( p o w e rm o s f e t ) 、绝缘栅 双极晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 等先后问世，这些器件都是 全控型器件，使得逆变器构成简单、结构紧凑。电力电子器件正在向大功 率化、高频化、模块化、智能化发展。8 0 年代以后出现的功率集成电路 ( p o w e ri c p i c ) ，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于 一体。目前已应用于交流调速的智能功率模块( i p m ) 采用i g b t 作为开关， 含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现 了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，是功率器件的重要发 第2 页 山东大学硕士学位论文 展方向。随着新型电力电子器件的不断涌现、成本不断降低，变频技术获 得了飞速发展。 1 2 2 逆变器的发展 以普通晶闸管构成的方波形逆变器被全控型高频开关器件组成的脉 宽调制( p w m ) 逆变器取代后，正弦波脉宽调制( s p w i ) 逆变器及其专用 芯片得到了普遍应用。磁通跟踪型p w m 逆变器以不同的开关模式在电机中 产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹一理想磁通圆，即用空间电压 矢量方法决定逆变器的开关状态，形成p w m 波形，由于控制简单、数字化 方便。已呈现出取代传统s p w m 的趋势。电流跟踪型p w m 逆变器为电流控 制型的电压源逆变器，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，滞环电流跟 踪型p w m 逆变器更因其电流动态响应快、实现方便，受到重视。目前，随 着器件开关频率的提高，并借助于控制模式的优化以消除指定谐波，已使 p w m 逆变器的输出波形非常逼近正弦波。但在电网侧，尽管以不控整流器 取代了相控整流器，使基波功率因数( 位移因数) 接近于l 。然而电流谐 波分量大，总功率因数仍很低，消除对电网的谐波污染并提高功率因数已 构成变频技术不可回避的问题。近年来研制成功的谐振型逆变器是一种新 型软开关逆变器，由于运用谐振技术，使功率开关在零电压或零电流下进 行开关状态转换，开关损耗几乎为零，使频率提高、体积减小、重量减轻、 成本降低、是很有发展前景的变频器。 1 2 3 控制理论的发展 在变频技术发展的同时，交流电机控制理论也取得了突破性的发展。 第3 页 山东大学硕士学位论文 由于交流电机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电机相比较，转矩 控制要困难的多。7 0 年代初提出的矢量控制理论，实现了定子电流励磁 分量和转矩分量之间的解耦，解决了交流电机的转矩控制问题。从而获得 了与直流调速系统同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速 相竞争的时代。直接转矩控制是8 0 年代中期提出的又一转矩控制方法， 其思路是：采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系中进行磁通、转矩计 算，通过磁通跟踪型p w m 逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对 定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实 现全数字化，目前正受到各国学者的重视近1 0 年来，各国学者致力无 速度传感器控制系统的研究。利用检测定子电压、电流等容易测量的物理 量进行速度估算以取代速度传感器。其关键在于在线获取速度信息，在保 证较高控制精度的同时，满足实时控制精度的要求速度估算的方法，除 了根据数学模型计算电动机的转速外，目前应用较多的有模型参考自适应 法和扩展卡尔曼滤波法。无传感器技术不需要检测硬件也免去了传感器带 来的环境适应性、安装维护等麻烦。提高了系统的可靠性。降低了成本， 因而引起了广泛兴趣。 1 2 4 、控制技术的数字化实现 随着技术的发展，微处理器引入了控制系统。目前具有代表性的p w m 专用控制器有t i 公司t m s 3 2 0 x 2 4 0 系列，i n t e l 公司的8 x 1 9 6 m c 系列，n e c 的p d 7 8 3 3 6 系列以及日立公司的s h 7 0 0 0 系列，其中，尤其是t i 公司的 t m s 3 2 0 x 2 4 0 系列，因其具有t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 内核及电机控制用的事件管 理器而使其具有更好的应用前景。微处理器的引入促进了模拟控制系统向 数字控制系统的转化。数字化技术使得复杂的矢量控制得以实现，大大简 第4 页 山东大学硕士学位论文 化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，而自诊断功能和自调试功能的 实现又提高了系统的可靠性，节约了大量人力和时间，操作、维修都更加 方便。 随着微处理器运算速度的提高、存储器的大容量化，将进一步促进数 字控制系统取代模拟控制系统，数字化已成为控制技术的方向。 3 永磁同步电动机的调速 永磁同步电机采用自控式变频调速方法，在电机轴上安装转子磁极位 置检测器，能检测出转子的磁极位置，控制定子侧变频器的电流频率和相 位，使定子电流和转子磁链总是保持确定的关系，从而产生恒定的转矩。 高性能的永磁同步电机调速系统通常采用转子磁场定向的矢量控制 技术，电磁转矩方程为 乃= p ，伊，i ( 1 一1 ) 可以看出，由于转子为永磁结构，伊，= 常数，转矩乃只与电枢电流i 5 的 幅值成正比，实现了解耦控制。只要在逆变器中控制好定子电流的幅值， 就会得到满意的转矩控制特性。定子电流的频率和相位由转子位置检测器 的转子磁极位置信号决定。 4 交流调速的主要应用领域 交流调速技术的飞速发展扩大了它的应用范围，目前，交流调速已遍 布于国民经济各部门的传动领域。 冶金机械：主要用于轧钢机主传动和高炉热风炉鼓风机。现正在取代 直流调速系统。 第5 页 山东大学硕士学位论文 电气牵引：主要用于电气机车、电动汽车。 数控机床：主轴传动、进给传动均采用交流传动，主轴传动要求调速 范围宽、静差率小：伺服进给系统要求输出转矩大、动态响应好、定位精 度高，都正在用异步电机或同步电机取代直流电机。 矿井提升机械：为保证在较高速度下的安全性运行，要求具备优良的 调速性能和位置控制以获得平稳、安全的运动制动运行，消除失控现象， 提高可靠性。 起重、装卸机械：如港口机械要求适应露天操作的具有烟雾、尘土且 温差变化大的场所，并能频繁迅速启动与调速 原子能及化工设备：使用环境恶劣且又要求有较大的调速范围。 建筑电气设备：用于空调系统、电梯传动及供水系统等。 纺织、食品机械：如纺织卷绕机、肉类搅拌机等。 1 5 研究内容 本文首先建立了一套以数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 为硬件 平台的交流电机实验开发环境，在此基础上，实现一种基于矢量控制理论 和空间矢量p w m 调制理论的数字式永磁交流同步电机伺服系统，实验了几 种控制算法来验证系统的性能，并给出试验结果。 第6 页 山东大学硕士学位论文 2 矢量控制原理 2 1 矢量控制的基本原理 电机调速的关键是转矩的控制n 1 。由于直流他励( 带补偿绕组) 电机 具有巧= p ，9 ，i 5 转矩特性，当励磁电流不变时。转矩与电枢电流i 5 成正 比。采用补偿绕组后，电枢反应很小，不考虑磁路饱和的影响，主磁通只 和励磁电流i 成正比。由于电磁转矩中的两个可控量i 和i 。是相互独立 的，所以转矩可以快速响应f 的变化，控制好电流f 就等于控制好转矩乃； 因此。良好的动态性能是比较容易实现的。 三相异步电机转矩与转子电流的关系满足 t 一：c i 中i 。c o s02 ，( 2 1 ) 其中气隙磁通中、转子电流i 、转子内功率因数c o s0 ：都是转差率s 的 函数，相互耦合，互不独立，并且又都是难以控制的量。比较容易控制的 量是定子电流i 。，而它又是i 。的折合值与磁化电流i “的矢量和。因此， 要在动态中准确的控制异步电机的转矩显然是比较困难的。 同理，对于隐极同步电机来说，其电磁转矩满足： t d = k f 3 f s i n0 ，( 2 2 ) 两个磁动势互不垂直，互相影响，要想控制好转矩，不但要控制好定 转子电流的幅值，还要控制好定、转子电流矢量之间的夹角，如用一般的 办法，很难做到。另外，对于凸极转子的同步电机来说，不仅存在着和隐 极同步电动机相同的主电磁转矩，而且在定、转子之间还存在着由于凸极 效应引起的磁阻转矩，因此凸极同步电机的转矩控制更加困难。 1 9 7 1 年，由德国b l a s c h k e 等人首先提出了交流电机的矢量变换控制 第7 页 山东大学硕士学位论文 理论，从理论上解决了交流电机转矩高性能控制问题。其基本思想是在普 通的三相交流电动机上设法模拟直流电机转矩控制的规律，在磁场定向坐 标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分晕和产生转矩的转矩电流 分量，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电 机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电机相似了，因此矢量控制的关 键仍是对电流幅值和空间位置( 频率和相位) 的控制。 矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终的实施仍然是落实 到对定子电流( 交流量) 的控制上。由于在定子侧的各物理量( 电压、电 流、电动势、磁动势) 都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转， 调节、计算均不方便。因此，需借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标 系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电机的各空间 矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流 量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的 关系，实时的计算出转矩控制所需要被控矢量的各个分量一一直流给定 量。按这些给定量实时控制，就能达到直流电机的特性。由于这些直流给 定量在物理上是不存在的，是虚构的，因此还必须再经过坐标的逆变换过 程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成交流给定 量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。 在矢量变换的控制方法中，须用到静止和旋转的坐标系，以及矢量在 两个坐标系之间的变换。 2 矢量控制中所用的坐标系 矢量控制中所用的坐标系有两种，一种是静止坐标系，一种是旋转坐 标系。 第8 页 山东大学硕士学位论文 ! 目! ! ! ! ! 自! ! ! 自l _ e ! ! _ j e ! g _ e ! ! ! 目目目目自目i _ 自! ! ! ! ! 目! ! ! 自_ 目 i 三相定子坐标系( a 、b 、c 轴系) 三相定子里有三相绕组，其绕组轴线分别为a 、b 、c ，彼此互差1 2 0 度空间电角度，构成了一个a b c 三相坐标系，如图2 一l 所示。某矢量 v 。在三个坐标轴上的投影分别为v 、v 。、v ，代表了该矢量在三个坐标轴 匕的分量。 b 切l c 图2 - i 2 两相定子坐标系( a b 轴系) 两相对称绕组，通以两相对称电流，亦产生旋转磁场，对一个矢量， 数学上习惯用两相直角坐标系来表示，故定义一个两相直角坐标系( n b 轴系) 。它的d 轴和三相定予坐标系的a 轴重合( 见图2 1 ) ，b 轴逆时 针超前a 轴9 0 。空问电角度，图中，v 。、v 。、为矢量v ，在a p 坐标系的 投影( 分量) 。 由于。轴固定在定予a 相绕组轴线上，故。一b 坐标系为静止坐标系。 3 转子坐标系( d - q 轴系) 。 转子坐标系固定在转子上，其d 轴位于转子轴线上，q 轴逆时针超前 d 轴9 0 。空间电角度，该坐标系在空间和转予一起在空间以转子角速度旋 转，故为旋转坐标系。对于同步电机，d 轴是转子磁极的轴线。 4 定向坐标系( 卅t 轴系) 第9 页 ，山东大学硕士学位论文 詈詈皇墨詈詈皇| 詈詈皇詈詈皇詈量摹詈| 皇量量| 皇詈暑| 皇篁詈詈曼詈詈詈詈詈置置舅置量量詈皇皇 定向坐标系的m 轴固定在定向的磁链上。t 轴逆时针超前m 轴9 0 度空 间电角度，该坐标系和磁链矢量一起在空间同步旋转，故亦为旋转坐标 系。由于j i f 轴位于磁链轴上，又称为定向磁链轴，而和甜轴垂直的r 轴上 的定子电流分量只产生电磁转矩，因此t 轴又称转矩轴。 3 矢量在坐标系之间的变换 矢量控制中，电机的变量( 电压、电流、电动势、磁链等) 均可用空 间矢量来描述，并常在几种坐标系中进行变换和计算。一个空间矢量从一 种坐标系变换到另一种坐标系。须遵循下列规律： i 静止坐标系间的转换 一个旋转矢量从三相定子坐标系( a 、b 、c 轴系) 变换到两相定子坐 标系( a b 轴系) ，又称为3 2 变换，其反变换称为2 3 变换。 由2 一l 图可知习惯上使n 轴和a 轴重合，空间矢量v ，由三相定子坐 标系中的分量v 、v 。、v 。合成，如果在两相定子坐标系中的分量v 。、v 。， 合成后产生的矢量v j 相等，那么这种变换是等效的，因此有： 圪+ _ ，= + 口+ 口2 ( 2 - - 3 ) 分离虚实部可得 圪= _ 一丢一吉 = 孚一孚 如果三相绕组是y 形不带零线接法，即 + + = 0 即 = 一匕一 将上式代入( 2 4 ) ，整理可得 ( 2 4 ) 三相平衡。则有 、 ( 2 5 ) 第l o 页 山东大学硕士学位论文 弘，、 。叫 = ；( 二旨_ + ：寿 f 。2。 写成矩阵形式有 舱陪狮 c z 刊 同理由式( 2 4 ) 、( 2 - 6 ) ，可推导出逆变换关系为 写成矩阵形式为 = 矿 3 4 弘k + 孚 们2 1 , 一孚 l 一一 2 ( 2 8 ) 列 ( 2 叫) 三相到两相变换中的系数3 2 及两相到三相逆变换中的系数2 3 ，是 由于在变换过程中保持输入功率不变的结果。 2 矢量回转器( v d ) 矢量回转是矢量从一个直角坐标系到另一个直角坐标系的变换，这两 个坐标系可以是旋转的，也可以是相对静止的，如图2 2 所示。 设任一矢量v 存在于两个直角坐标系d - q 和a b 坐标系中的分量分 别为v “、v 。，在n b 坐标系中的分量分别是v 。、v 。，两个坐标系横轴夹 角为1 l r 。由该图可写出矢量回转关系式。 第n 页 10kj0irj 。巫：巫： 山东大学硕士学位论文 。鼍? 。8 妒+ i r s i n 伊 i(2-io) = 一s i n v + _ c o s d p v 图2 2 即 阡出= 7 鹏r v , , ( 2 - - 1 1 ) 上式为矢量v 从d - q 坐标系变换到a b 坐标系的关系式。反之，其 反变换关系式为 讣一c o n s 伊：嚣 纠( 2 - - 1 2 ) 3 矢量分析器( v a ) 矢量分析器又称直角坐标、极坐标变换，用于求解一个矢量的模和相 角，由于在实际电路中只用到相角的三角形式，因此，只求出相角的正弦 和余弦值即可。如图2 - 3 可知，在任一直角坐标系中，已知v x 、v y 分别 是矢量v 在x y 轴上的投影( 分量) 。v 为矢量的模，1 l r 为矢量与横轴x 轴 的夹角。 因此有 图2 - 3 直角坐标系的矢量图 第1 2 页 山东大学硕士学位论文 y = 4 y ：+ r ：( 2 - 1 3 ) c o s 尹= y ，, 7 1 ( 2 1 4 ) s m 妒= r 。y 、 2 4 、永磁同步电机( p m s m ) 的矢量控制 永磁同步电机是指采用高磁能积永磁材料励磁的一类同步电机。它除 了具有一般同步电机的工作特性外，还具有效率高、结构简单、易于控制、 性能优良等优点。对于自启动永磁式同步电机，尤其是永磁式微特电机， 广泛应用于军事设备、计算机外围设备、办公机械、仪器仪表、数控机床 等领域。永磁同步电机的转子结构可分为表面磁铁和内部磁铁两种形式。 本文所用的电机为面装式永磁同步电机。 2 4 1 永磁同步电机的数学模型 划= 警。t n z p o ) r 0 洲一州纠正 第1 3 页 - 山东大学硕士学位论文 r 一定子电阻 n p 一电动机极对数 ，一转子机械角速度 p ，一转子磁通 z 一负载转矩 j 一转动惯量 b 一粘滞摩擦系数 系统控制框图如图2 - 4 图2 4 系统控制框图 v 2 4 2 控制器数学模型 电流预测控制的机理是利用当前已知状态、电机模型和参考电流，预 测使电机电流在第k + l 步达到i 木( k + 1 ) 所需的电压，用p 删方法施加在逆 变器上，期望实际电流在k + l 步达到该值。 、 根据传统的假设和3 2 变换，基于p m s m 转子磁场定向坐标的数学模 型直接按下式写出卟1 ： 第1 4 页 山东大学硕士学位论文 “j = r i d + p 伊d 一，妒4 “q = r i d + p 妒q + r 妒d ( 2 1 6 ) 妒d = l d i d + 妒， 妒q = 三g i 口 将上述等式写成如下矩阵向量形式： 矿= ( r + p 工) ，4 - e e ：b ( 2 - 1 7 ) l k 。+ l i d j 式中，= i 。i q 】7 ，矿= 【v 。v 。】7 ，e = 陋。e q 】7 如果假设采样周期足够小并且数值等于这些变量在一个采样周期内 微小变化的平均值，那么式中p i 由离散化差分方程的形式代替后可获得 以下的数字控制器离散化数学模型n 1 v ( 玎) = 2 r ( n - 1 ) 一v ( n - 1 ) + 2 e ( 甩) + j + ( n + i ) 一，( n 1 ) 】 ( 2 1 8 ) i 口 脚，= - l i q ( n - 1 ) + t e l v q ( n z 也钒- l 枷铆。1 h d s p 在给定电压似( n ) 计算完之后，通过坐标变换得到v 。+ 和v 。+ ， 再选择逆变器8 种开关模式中的一种来完成p w m 信号和p m s m 波形，通过 功率逆变器旌加到p m s m 上的电压矢量总是不等于定子电压空间矢量 ( n ) ，需对电压矢量进行控制。关于s v p w m 的具体实现将在软件一节中 详细讲解。 第1 5 页 山东大学硕士学位论文 3 t m s 3 2 0 f 2 4 0 数字信号处理器简介 3 1 通用d s p 芯片 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处 理运算的微处理器，其主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法 。”3 。为了快速的实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软 硬件结构。 t m s 3 2 0 系列的d s p 芯片的基本结构包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水 线操作；( 3 ) 专用的硬件乘法器：( 4 ) 特殊的d s p 指令：( 5 ) 快速的指令 周期。 d s p 由于其强大的运算能力、良好的i 0 操作功能、极高的处理速度， 在数字伺服系统中获得了成功的应用。基于d s p 的p c 平台上的高精度数 字伺服系统可以让用户以很少的费用不断进行软、硬件升级，在一定时间 内跟上技术的发展，而不象封闭性系统，很快就会落后乃至被淘汰。从长 远来看，要达到高速、精确、容易改进的跟踪伺服控制，用d s p 进行系统 的开发是最佳选择1 1 1 。 3 2t m s 3 2 0 f 2 4 0 概述 德州仪器公司开发的t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片使电机控制系统的设计者得以 接触到一片专门为电机控制应用而优化的工业用单片d s p 控制器“。 这一高度集成的器件代表了传统微处理器及通用处理器方案的重大 突破，使易制造的无刷电机的直接驱动及调速控制成为可能，与其它方案 第1 6 页 - 山东大学硕士学位论文 相比，由它构成的控制器提供了更好的电机控制性能、更低的能耗、更高 的可靠性及静音运行。更为重要的是，f 2 4 0 具有实时算术运算能力，并 集成了电机控制外围部件，使设计者只需加较少的硬件设备，从而可以降 低系统费用。 f 2 4 0 的结构为许多先进的工业、消费及自动控制应用提供了新的设 计方法，广泛应用在电机驱动、功率转化器、运动控制、电力控制系统自 动化等等。 1 t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 在控制应用方面的性能： ( 1 ) 提供了更好的解决方案 f 2 4 0 是德州仪器公司为了满足更为复杂的电机数字控制的工业需求 而设计的。新设计以较廉价的交流感应、直流无刷或开关磁阻电机为控制 对象，从而有效利用d s p 的高性能。由于具有硬件乘法器及多总线结构， d s p 支持高速指令周期及单周期乘法，这样就可以采用先进的控制算法来 估计系统参数以适用电机加载、温度及能耗的变化，这正是其对于传统的 基于微处理器实现电机的数字控制的设计的优势。 利用f 2 4 0 ，设计者可以构成数字的电流环，有效地减小电机转矩波 动。其运算功能可以用于有功功率因数校正，从而可以更有效地实现电能 与机械能的转化，减小电机消耗的总能量。这正是基于微处理器的数字设 计的重要进步，因为原设计是缺乏以实时方式实现这些先进功能的能力 的。 作为t m s 3 2 0 c 2 x x 产品族中的一员，专门为电机及运动控制设计的 f 2 4 0 在单片微处理器中集成了高性能的t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 内核，为电机控 制而优化的事件管理器可同时完成采样的双工a d 转换器、并行的电机 电流转换与通讯、外围传感器及快速的闪烁存储器，这种高度集成的单片 数字控制方案比现存的多片方案具有更高的电机驱动能力及更低的系统 第1 7 页 山东大学硕士学位论文 费用。 f 2 4 0 片内优化的事件管理器是为设计者提供完整的高性能的电机控 制方案的关键。从功能上看，它提供的脉宽调制( p 帆) 及i 0 接口可以 用于驱动各种电机。它包含了3 个启停定时器及9 个比较器，并辅以灵 活的波形发生逻辑，可以产生多达1 2 路的p w m 输出。它还支持对称的( 集 中的) 及非对称的( 非集中的) p w m 生成能力以及空间矢量p w m 状态装置 以实现开关功率晶体管的优化方案。它能以较低功耗得到较长的功率晶体 管使用期，它还包含死区发生单元从而有助于保护功率晶体管。此外，事 件管理器集成了4 个接收输入端，其中两个可用于光解码正交脉冲的直接 输入，总之，这些特性代表了一种卓越且灵活的p w m 发生及系统控制方案。 采用f 2 4 0 的主要优势是由于集成了a d 转换器及事件管理器而减少 了外围芯片使用量，另外由于f 2 4 0 具有实时算术运算能力从而支持无传 感驱动并减少了存储器查表工作。 ( 2 ) f 2 4 0 产品的特性 高性能静态c m o s 技术。 包含t m s 3 2 0 c 2 x x 内核c p u o 源代码与t m s 3 2 0 c 2 5 兼容。 可升级为t m s 3 2 0 c 5 x 。 1 3 2 针塑壳四边形扁平封装。 5 0 n s 指令执行周期。 工业温度标准，自动温度获取。 存储器 5 4 4 字1 6 位的片内数据编程双寻址r a m 1 6 k 字* 1 6 位的片内编程快闪e e p r o m 共可寻址2 2 4 k 字1 6 位的存贮器( 6 4 k 数据，6 4 k 程序及i 0 ， 第1 8 页 山东大学硕士学位论文 3 2 k 通用存储区间) 。 事件管理器 1 2 路比较脉宽调制( p 删) 通道。 3 个1 6 位通用定时器，可用于6 种模式，其中包括连续启动 及启停计数。 3 个带死区的全比较单元。 3 个1 6 位简单比较单元。 4 个接收单元( 其中2 个带有正交解码脉冲输入能力) 。 双工1 0 位模拟数字( a d ) 转换模块。 2 8 针可独立编程复用的i o 口。 基于锁相环( p l l ) 的时钟模块。 看门狗定时模块( 配有实时中断) 。 串行通讯接口( s c i ) 模块 串行外围接口( s p i ) 模块。 6 个外部中断( 电源保护、复位、n m i 及3 个可屏蔽中断) 。 4 种低能耗模式，适用于低能耗运行。 基于扫描的仿真。 可获得的开发工具 t ia n s i cc 编译器，汇编器连接器及c 源程序调试器。 全系列仿真产品： 自仿真( x d s - - 5 1 0 ) 、r o m 替换( x d s 一5 1 1 ) 断点、跟踪及定 时( x d s 一5 2 2 a ) 。 2 开发支持 使用f 2 4 0 的设计者可以获得与德州仪器公司及其他工业领导级的 t m s 3 2 0 定点汇编语言工具、c 编译器及调试程序，x d s - 5 1 0 5 11 5 2 2 仿真 第1 9 页 山东大学硕士学位论文 产品也为设计者提供了具有断点及单步跟踪能力的耐用的调试系统。此 外，有一些t m s 3 2 0 第三方厂方为这些装置提供支持，其中包括描述设计 电机数字控制系统各项特性的有关平台的文件。 t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 控制器芯片具有较低的价位，而且具有实时算术运 算能力、并集成了电机控制外围部件，使其性能价格比较高，由其构成的 实际系统有一定的推广应用价值。 第2 0 页 山东大学硕士学位论文 4 硬件电路的设计与开发 4 1 概述 本章详细描述了硬件电路的设计方案。设计过程中采用了p r o t e l 9 9 s e 作为电路的设计工具。 由于主芯片已经确定，外围电路芯片就围绕着主芯片来选择。以f 2 4 0 为主，外围电路的扩展包括存储器的扩展、正交脉冲输入的隔离电路、a d 转换的接口电路、脉宽调制输出驱动电路、仿真口j t a g 、以及串行通信接 口电路的设计。 考虑到f 2 4 0 的速度的要求及实现的功能，我们采用了两片i s s i 公司 的i s 6 1 c 1 0 2 4 作为存储器，一片可编程芯片g a l l 6 v 8 作为p w m 输出的驱动， 兼作存储器译码之用，4 片高速的光电隔离器6 n 1 3 7 隔离正交脉冲输入信 号，一片m a x 2 3 2 作为串行通信的接口。 系统的整体框图如图4 - 1 ： 图4 - 1 系统整体框图 第2 l 页 山东大学硕士学位论文 4 2 存储器接口设计 存储器结构有两大类：冯诺伊曼结构和哈佛结构n “”。前者将程 序和数据合用一个存储空间，通过地址分段来存放程序与数据。后者将程 序存储空间与数据存储空间分离开来，二者是不同的物理存储器，可以拥 有相同的地址，通过不同的控制线( 读、写、片选等信号) 来对它们进行 访问。 在我们所设计的控制系统中需要的程序存储容量较大而数据存储容 量较小，而f 2 4 0 控制器采用了哈佛结构，它将小容量的数据存储器单独 的以高速的r a m 形式实现并集成到芯片内，加快了数据处理的速度，符合 我们的系统要求的实时性。 f 2 4 0 控制器使用1 6 位的地址总线，可访问的四种独立选择空间是( 共 2 2 4 k ) ： 1 6 4 k 字程序存储空间，存储要执行的指令及程序执行时使用的数 据。 2 6 4 k 字的局部数据存储空间，存储指令使用的数据。 3 3 2 k 全局数据存储空间，存储与其它处理器共用的数据，或者作 为一个附加的存储空间。 4 6 4 k 字的i o 空间，用于外设接口，包括一些片内外设的寄存器。 4 2 1 外部存储空间的扩展 我们扩展的f 2 4 0 的存储器用到以下的信号线： 1 外部数据地址总线，d 0 d 1 5 是数据总线，a o “a 1 5 是地址总线。 2 片选信号线d s 、b r 、p s 、i s 、s t r b 。 第2 2 页 山东大学硕士学位论文 3 读写信号r w 、w r 、w e 。 4 请求控制信号m p m c 、r e a d y 。 f 2 4 0 内部有1 6 k 的f l a s he e p r o m 和5 4 4 字的r a m ，由于在使用c c 2 0 0 0 对程序进行调试时，要随时将程序灌到系统板中，不宜对f l a s he e p r o m 进行多次写入，为了能够在线编程，我们使用i s s i 公司的静态r a m i s 6 1 c 1 0 2 4 来扩展6 4 k 的程序存储器和6 4 k 的数据存储器。 4 2 2i s 6 1 c 1 0 2 4 使用 f 2 4 0 的时钟周期为5 0 n s ，存储器的存取时间必须和f 2 4 0 相匹配。 i s 6 1 c 1 0 2 4 是i s s i 公司生产的一种速度高、功耗低、1 2 8 k * 1 6 位c m o s 静 态r a m “”。它采用了i s s i 公司的高性能的c m o s 技术，高可靠性的制作方 法及先进的电路设计使得它成为一种高性能、低能耗的器件，它的最大存 取时间为2 5 n s 。 i s 6 1 c 1 0 2 4 视图及引脚说明如下： n c 越】m 2 w】a 1 8 a 1 4 i狮】c 2 a 1 2 4 a】臃 t 5 蕾】a 1 3 棚 疗】 m r 薯】的 m 习】a l l 柏m】醒 a 2 ” 五】a i o i 麓】丽 柚幢 a】l m m 3 越】l m m 】l m 1 m 【 值任】9 0 4 o m 【 7】i m 图4 - 2i s 6 1 c 1 0 2 4 表4 - 1 第2 3 页 山东大学硕士学位论文 c e l片选i 输入低电平有效 c e 2片选2 输入高电平有效 o e 输出使能输入低电平有效 w e 写使能输入低电平有效 i o o i 0 7数据线 v c c 电源 g n d 地 表4 - 2 逻辑真值表 模式 w ec e lc e 2o e i 0 操作 没选中( 没电 xhxx 高阻 源)xxlx 高祖 禁止输出 hlhl 高阻 读 hlhl 数据输出 写 llhx 数据写入 由于f 2 4 0 是1 6 位的地址线和1 6 位的数据线，扩展的存储器为6 4 k * 1 6 位， 而i s 6 1 c i 0 2 4 为1 2 8 k 8 位，所以采用两片i s 6 1 c 1 0 2 4 ，它们的低6 4 k 作为 数据存储器，高6 4 k 作为程序存储器，电路原理图如图4 - 3 ； 第2 4 页 山东大学硕士学位论文 图4 3 存储器接口 电路中采用一片g a l l 6 v 8 作为译码电路给i s 6 1 c 1 0 2 4 的片选端提供信 号。d s 和p s 异或后的输出作为存储器的片选的输入信号，逻辑关系为1 8 = 2 9 + 9 * 2 。关于g a l l 6 v 8 的使用及其逻辑编程将在脉宽调制接口一 节详细介绍。i s 6 1 c 1 0 2 4 的存取速度足以同f 2 4 0 相匹配，不需要f 2 4 0 插入 周期来等待，故可以将f 2 4 0 的r e a d y 引脚拉为高电平。 第2 5 页 山东大学硕士学位论文 4 3 正交脉冲输入( q e p ) 及捕捉单元( c a p ) 的接口设计 4 3 1 捕捉单