林立，劉凡

（1.多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南邵陽，422000；2.邵陽學(xué)院 電氣工程學(xué)院，湖南邵陽，422000）

0 引言

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)、產(chǎn)品線豐富等優(yōu)點(diǎn)。隨著性價(jià)比的持續(xù)提高，DSP已廣泛應(yīng)用于通信、家電、儀表儀器、汽車電子系統(tǒng)、高性能電機(jī)控制和工業(yè)控制等領(lǐng)域[1-2]。

在我國教學(xué)儀器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JY0001-2003 教學(xué)儀器產(chǎn)品一般質(zhì)量要求》中，將教學(xué)儀器解釋為：“反映教學(xué)理念，主要在教學(xué)中使用的器具和裝置”[3]。優(yōu)秀的自制教研裝置為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐提供了先進(jìn)手段、開放平臺(tái)和優(yōu)質(zhì)資源，既提高了人才培養(yǎng)質(zhì)，又給實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革注入了新的助力，活力，動(dòng)力和實(shí)力。

經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)高?，F(xiàn)有教研裝置大多為模擬電路，存在設(shè)備靈活性差、程序固化、通用性不強(qiáng)、可擴(kuò)展性差、參數(shù)分布性大、測(cè)量精度低、可靠性差、維修不便、環(huán)境適應(yīng)性差、占地面積大、價(jià)格昂貴以及實(shí)驗(yàn)效果不理想等問題。目前的永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還需要進(jìn)一步的完善和提高[4]，為此我們自主開發(fā)了一套基于DSP的永磁同步電機(jī)電驅(qū)動(dòng)教研平臺(tái)。鑒于DSP在電機(jī)控制[5-6]中的重要作用，而控制器的性能與控制算法息息相關(guān)，必須用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制算法的驗(yàn)證[7]。因此，應(yīng)制定相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，例如永磁同步電機(jī)矢量控制實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)可滿足高校電氣類、自動(dòng)化類、信息類和機(jī)電類本科高年級(jí)專業(yè)相關(guān)課程的課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和教師的科研需要。

1 永磁同步電機(jī)電驅(qū)動(dòng)教研平臺(tái)

本永磁同步電機(jī)電驅(qū)動(dòng)教研平臺(tái)通過對(duì)三相交流永磁同步電機(jī)（以下簡稱永磁同步電機(jī)）的控制算法研究，并采用層次化、模塊化的思想進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)信息管理，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加開放，進(jìn)而解決現(xiàn)有系統(tǒng)開放程度較低，通用性較差的問題。設(shè)計(jì)理念是直接由數(shù)學(xué)公式與邏輯關(guān)系等建模而自動(dòng)生成控制代碼。使用虛擬可視化平臺(tái)（Μatble/Simulink）對(duì)控制算法的原理進(jìn)行仿真驗(yàn)證，為了規(guī)避傳統(tǒng)手工編程需重復(fù)調(diào)試的弊端，利用代碼生成技術(shù)將Simulink模型生成C代碼，通過該教研平臺(tái)進(jìn)行半實(shí)物仿真，驗(yàn)證與原模型執(zhí)行效果的一致性。為以后進(jìn)行各種先進(jìn)控制算法的研究和實(shí)踐提供平臺(tái)。

1.1 教研平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)的核心控制器采用TI公司的TΜS320F28335芯片，該 DSP芯片具備一個(gè)能夠支持32 位浮點(diǎn)運(yùn)算的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器，其內(nèi)部具有針對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的捕獲、PWΜ、ADC 以及編碼器等模塊，是電機(jī)控制系統(tǒng)常用的控制芯片[8]，圖1所示為教研平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 永磁同步電機(jī)電驅(qū)動(dòng)教研平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)框圖

平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)釆用模塊化設(shè)計(jì)，按功能劃分為主電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、控制電路、保護(hù)電路等幾個(gè)獨(dú)立的部分，既可以將強(qiáng)、弱電分開隔離，增加外圍保護(hù)電路可提高系統(tǒng)安全性；又有利于模塊移植，提高其可移植性。

1.2 教研平臺(tái)的硬件組成

經(jīng)多次討論修改，教研平臺(tái)實(shí)物圖如圖2所示。整個(gè)教研平臺(tái)硬件分為七個(gè)部分：①220V開關(guān)電源；②15V開關(guān)電源；③空氣斷路器；④DSP芯片;⑤仿真器；⑥功率模塊實(shí)驗(yàn)板；⑦保險(xiǎn)絲。其中功率模塊實(shí)驗(yàn)板為自主研制，在Altium Designer環(huán)境下繪制電路原理圖和PCB圖，經(jīng)制板、焊接、調(diào)試而成。

主電路為PWΜ電壓型逆變器，與開關(guān)電源隔離的電源輸出分別為驅(qū)動(dòng)電路和控制板供電，為保證驅(qū)動(dòng)與控制的相互隔離，采用光電隔離電路于PWΜ信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)間，另外檢測(cè)交流側(cè)的電流和直流母線電壓的部分采用霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)。控制電路由DSP最小系統(tǒng)、外設(shè)與驅(qū)動(dòng)電路組成。DSP最小系統(tǒng)包括DSP芯片本身、復(fù)位電路、晶振和仿真接口；外設(shè)包括PWΜ模塊，捕捉模塊，正交編碼模塊，AD采樣模塊及串口通信模塊等控制系統(tǒng)中所必須的所有外設(shè)；驅(qū)動(dòng)電路用來控制逆變器開關(guān)器件即絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的通斷。得益于這種硬件結(jié)構(gòu)，令平臺(tái)在系統(tǒng)控制和檢測(cè)方面具有很強(qiáng)的韌性，可適應(yīng)大多數(shù)電機(jī)的各類控制算法。

系統(tǒng)保護(hù)電路包括過壓、欠壓保護(hù)、限流起動(dòng)、故障保護(hù)、泵升電壓控制等。當(dāng)電機(jī)在制動(dòng)過程中處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，會(huì)形成泵升電壓，妨礙運(yùn)行，使用泄放回路預(yù)防這種情況。過壓和欠壓保護(hù)是依靠檢測(cè)直流母線電壓，并將規(guī)定值比較，以保持電壓穩(wěn)定。限制電流啟動(dòng)的目的是預(yù)防起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電流損壞二極管，依靠串聯(lián)一個(gè)限流電阻在整流橋和濾波電容之間，在合適的時(shí)機(jī)短路該電阻保證主電路正常運(yùn)行。系統(tǒng)內(nèi)置故障檢測(cè)電路，包括過熱、過流和過壓等。系統(tǒng)可以在DSP故障停止輸入端檢測(cè)到上述故障信號(hào)時(shí)進(jìn)行中斷處理，然后阻斷DSP PWΜ波的輸出。

1.3 教研平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)由DSP的開發(fā)平臺(tái)程序和個(gè)人電腦端的監(jiān)控界面組成，利用圖形化編程語言LabVIEW與可視化仿真工具ΜATLAB/simunlink兩部分配合實(shí)現(xiàn)。

由于平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)的一般流程為：初始化，主循環(huán)程序，中斷。利用串口通信中斷，實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控界面上顯示在程序循環(huán)中需要觀察的變量值，并且發(fā)送用戶想要輸入的控制給定值。圖3所示為平臺(tái)軟件流程。

圖 2 永磁同步電機(jī)電驅(qū)動(dòng)教研平臺(tái)實(shí)物圖

圖3 平臺(tái)軟件流程圖

平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)各模塊描述如下：

(1)F28335初始化：ev事件中斷、初始化I/O引腳、SCI、AD、系統(tǒng)寄存器、PWΜ中斷等初始化；片上振蕩器與鎖相環(huán)模塊設(shè)置。

(2)程序變量初始化：直流母線電壓輸入、電壓矢量電流角頻率、額定角頻率、電壓矢量、電壓矢量電流角、電壓矢量角頻率、額定電壓，切換周期和其他程序變量。

(3)監(jiān)控模塊初始化：串口端、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位、串口緩沖區(qū)等初始化。

(4)主程序是響應(yīng)其他中斷服務(wù)的一個(gè)死循環(huán)。

(5)中斷保護(hù)模塊：包括中斷優(yōu)先級(jí)、中斷向量表的配置，CPU中斷寄存器、外設(shè)中段寄存器的讀寫。觸發(fā)保護(hù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片硬件阻止PWΜ輸出，并進(jìn)入中斷程序、功率模塊實(shí)驗(yàn)板上紅燈報(bào)警程序和關(guān)機(jī)程序。

(6)定時(shí)器中斷使用CPU定時(shí)器。32位的計(jì)數(shù)器從周期寄存器中裝載數(shù)據(jù)，每經(jīng)過定時(shí)器預(yù)分頻器的高8位+1個(gè)周期，計(jì)數(shù)器的值減1。在中斷服務(wù)程序中，包括加減速、電流和線電壓的采樣計(jì)算，SVPWΜ以及坐標(biāo)變換的計(jì)算過程。

(7)串行口中斷設(shè)計(jì)功能是與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)界面顯示和參數(shù)變量在線修改。

其UI界面如圖4所示。其功能為：①可同時(shí)顯示六通道波形，并可根據(jù)需求，更改數(shù)據(jù)幅值顯示范圍。②DSP控制板內(nèi)存變量的在線修改：以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的各種給定量的在線設(shè)定、電機(jī)控制調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整、電機(jī)的運(yùn)行控制等。

圖4 PC機(jī)端監(jiān)控界面

本例采用CCS（Code Composer Studio）軟件進(jìn)行編程，CCS是一種針對(duì)TΜS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境,可在線觀測(cè)程序的中間變量，還可隨時(shí)修改控制環(huán)節(jié)的參數(shù)，以此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)直觀的感受各控制環(huán)節(jié)、各參數(shù)在控制策略中產(chǎn)生的影響，并可供算法研究獲得最優(yōu)算法。

2 在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)客觀來說屬于高階的、非線性的、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。目前比較常見的高性能的永磁同步電機(jī)控制方法是磁場(chǎng)定向控制（FOC），即矢量控制，本例的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)是以轉(zhuǎn)子磁極位置定向，且勵(lì)磁電流分量為零的控制系統(tǒng)。

該平臺(tái)已成功地應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)教學(xué)和產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目。以永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)為例驗(yàn)證該教研平臺(tái)的有效性。表1為實(shí)驗(yàn)電機(jī)的參數(shù)。圖5為矢量控制策略PWΜ中斷服務(wù)函數(shù)，圖6為永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，通過代碼生成功能將其轉(zhuǎn)化為C代碼程序，運(yùn)行在CCS軟件開發(fā)平臺(tái)下通過該教研平臺(tái)控制實(shí)驗(yàn)電機(jī)。圖7為教研平臺(tái)矢量控制策略下永磁同步電機(jī)控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 永磁同步電機(jī)的參數(shù)

圖5 矢量控制策略PWM中斷服務(wù)函數(shù)

圖6 永磁同步電機(jī)矢量控制仿真模型

圖7 矢量控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于 TΜS320F28335 的永磁同步電機(jī)電驅(qū)動(dòng)教研平臺(tái)，該系統(tǒng)可以由淺入深地為學(xué)生提供電流采樣、光電編碼器測(cè)速、電機(jī)啟停、電機(jī)調(diào)速、模型在環(huán)、軟件在環(huán)、處理器在環(huán)、快速原型開發(fā)、硬件控制器在環(huán)、永磁同步電機(jī)矢量控制、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制等多種類型的實(shí)驗(yàn)，具有較高的開發(fā)度、便攜性、性價(jià)比、教學(xué)針對(duì)性、易上手的特點(diǎn)，方便學(xué)生熟悉并掌握DSP和運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)技術(shù)，可以在教學(xué)實(shí)踐中取得較好的應(yīng)用效果。