基于32位DSC开放式交流伺服电动机驱动控制台的研制

1、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

2、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

3、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）。(

4、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

5、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TC1166监控及保护伺服控制器伺服控制器驱动功放电路寄存器通讯模块旋转变压器上位控制计算机制动器转矩测试仪伺服电机图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

6、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TriCoreTM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上位控制计算机伺服电机驱动功放电路驱动与保护闭环转矩和转速调节器串口通讯SVPWM调制和传感器接口电压、电流检测SPI通讯旋转变压器图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

7、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： 图4 控制板原理框图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

8、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

9、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：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

10、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

11、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=0），实现了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。

12、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

13、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

14、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, 20063 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. 20032 David A. Patterson,

15、 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): 4134235 AP32084-Sinusodial 3-Phase Output Generation Using The TriCode General Purpose Timer Array (V1.0)-2005016 Hoang Le-Huy. Microprocessors and Digital ICs for Motion Control. Proceedings of the IEEE. 1994,