康春生 袁清珂** 杜湛博

（1.廣東工業(yè)大學機電學院 2.廣東中能加速器科技有限公司）

1 引言

交流伺服電機正越來越多地應用于機電一體化、工業(yè)機器人、柔性制造系統(tǒng)等高科技領域。目前流行的交流電機控制方法主要有矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。傳統(tǒng)的伺服電機控制系統(tǒng)主要采用模擬器件實現(xiàn)，但由于模擬器件計算能力有限，很難滿足現(xiàn)代矢量控制算法的要求。

交流電機是一個強耦合、多變量、非線性的時變系統(tǒng)，因此，對其進行矢量控制通常需要較大的實時計算量和較多硬件外設的支持。本系統(tǒng)采用 TI公司電機控制專用處理器 TMS320F2812實現(xiàn)電機的控制，達到控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單可靠、控制精度高、實時性強等要求[1～3]。

2 SVPWM控制策略

空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）是從電動機的角度出發(fā)，著眼于如何使電動機獲得幅值恒定的圓形磁場。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁鏈圓為基準，用逆變器的不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際矢量來追蹤基準磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)模式，形成 PWM 波[4～6]。它具有易于數(shù)字化控制、直流電壓利用率高、轉(zhuǎn)矩脈動小等優(yōu)點。SVPWM可以在TMS320F2812中通過程序計算獲得，其步驟如下：① 計算電壓空間矢量V*；② 判斷V*所在扇區(qū)；③ 根據(jù)扇區(qū)分配矢量與作用時間；④ 裝載寄存器生成PWM信號。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)磁場定向控制的需要，結(jié)合永磁同步電機的矢量控制算法，并考慮充分利用數(shù)字處理器 DSP芯片自身的硬件資源，本系統(tǒng)的大部分運算工作在軟件中實現(xiàn)，大大簡化了外圍硬件電路的設計。

在系統(tǒng)設計中使用F2812的事件管理器（Event Manager，EV）單元產(chǎn)生 PWM 輸出信號，通過TMS320F2812的正交編碼脈沖（Quadrature Encoder Pulse，QEP）單元接收編碼器的信號，通過F2812的AD單元檢測電壓及電流信號。根據(jù)產(chǎn)品系統(tǒng)的要求，設計了同步電動機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件，如圖1、圖2 所示。

本系統(tǒng)的硬件電路主要由整流濾波電路模塊、功率驅(qū)動電路模塊、信號檢測電路模塊、TMS320F2812最小系統(tǒng)板等構(gòu)成。整流濾波電路的作用是將 220V的交流轉(zhuǎn)變成逆變器所需的直流母線電壓；功率驅(qū)動電路的作用是利用控制回路TMS320F2812最小系統(tǒng)板輸出的脈寬調(diào)制信號控制逆變器中功率管的開關(guān)情況，從而將輸入逆變器的直流母線電壓變換成三相交流電驅(qū)動電機，功率驅(qū)動電路模塊主要由逆變電路、光耦隔離驅(qū)動電路和過壓、過流保護電路組成；信號檢測模塊的作用是識別與電機轉(zhuǎn)速有關(guān)的各種信號，以此作為控制回路的輸入信號，并通過A/D轉(zhuǎn)換將該信號轉(zhuǎn)化為可供DSP實時處理的數(shù)字信號。

圖1 永磁同步電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖

4 軟件設計與開發(fā)

本系統(tǒng)使用的軟件平臺是TI公司的集成編譯環(huán)境CCS3.3，由C語言和匯編語言混合編程，并采用模塊化的編程設計思想，以便管理和修改。控制系統(tǒng)的軟件主要由三部分組成：主程序、初始化程序、中斷服務程序。系統(tǒng)初始上電或復位后首先執(zhí)行初始化程序，實現(xiàn)對 DSP內(nèi)部各功能模塊工作模式的設定和初始狀態(tài)的檢測，完成上述工作后系統(tǒng)執(zhí)行主程序，當中斷發(fā)生時，執(zhí)行相應的中斷服務子程序。

本系統(tǒng)應用于模擬定位機機架的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，為滿足機架每分鐘一圈的轉(zhuǎn)速和精確的角度定位，需實時采集機架位置及轉(zhuǎn)速信息進行PID調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速信息通過編碼器脈沖提取；位置信息通過采集精密電阻器上的電壓，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換取得。將轉(zhuǎn)速和位置信息送入雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器，即可使機架勻速穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)的主要工作都在定時器中斷服務子程序中完成，其程序框圖如圖3 所示。

圖3 定時器中斷子程序

功率保護中斷子程序，由DSP的PDPINTA引腳上的信號下降沿觸發(fā)。根據(jù)硬件設計，功率保護中斷子程序能夠?qū)χ麟娐愤^流和過壓、IPM過溫等系統(tǒng)故障做出響應，可以在故障發(fā)生時關(guān)閉DSP的PWM，使控制器停機，從而避免主電路燒壞。

捕獲中斷子程序，用來捕獲光電編碼盤的 Z脈沖，電動機每旋轉(zhuǎn)一圈就會有一個Z脈沖，作用是為角度計算提供基準值，為新的一周提供初始參考角度，這樣可以防止A、B脈沖信號帶來的累計誤差。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)有以下優(yōu)點：① 充分利用TMS320F2812片上的豐富外設資源和較強的數(shù)據(jù)處理能力，控制系統(tǒng)電路設計簡單可靠，滿足了永磁同步電機矢量控制的要求；② 全數(shù)字化控制策略使系統(tǒng)在控制精度、功能和抗干擾能力上有了很大的提高；③ 在充分利用 DSP內(nèi)部資源的條件下，只須附加較少的電路元件即可實現(xiàn)系統(tǒng)預定的功能和性能，系統(tǒng)的軟件設計合理又保證了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。本文的研究已應用模擬定位機，取得了良好的效果。

[1]王曉明.電動機的DSP控制——TI公司DSP應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[2]眭相林,許倫輝,劉風磊,等.基于 TMS320F2812的永磁同步電機位置隨動系統(tǒng)設計[J].機械與電子,2008.7.

[3]杜春洋,王宇超.零基礎學 TMS320F281x DSP C 語言開發(fā)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

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[5]蘇奎峰,蔡昭權(quán),呂強,等.TMS320X281x DSP應用系統(tǒng)設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[6]李廣濤.基于TMS320F2812的交流感應電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)[D].南京:南京航空航天大學,2009.