DSP電機控制綜合實驗平臺研制

盧慧芬，林 斌，孫 丹，潘再平

(浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

數字信號處理器(DSP)具有靈活、抗干擾能力強、運行速度快、易于升級、擴展性強、外設豐富等優點。隨著微處理器的不斷發展和DSP性價比的不斷提高，DSP已廣泛應用于通信、家用電器、航天設備、工業測量、工業控制、生物醫學工程及軍事領域[1-2]。

掌握必要的DSP知識是電氣工程專業人才培養的需要。為滿足專業教學需求，我校為電氣工程及自動化專業開設了DSP相關課程，包括微機原理與應用、電氣裝備課程設計、DSP在機電控制中的應用等課程。作為應用性極強的課程，除了介紹DSP的基礎知識，還要求學生將理論知識運用到實踐中，故完整可靠的DSP實驗平臺必不可少。

經過市場調研發現，目前銷售的DSP實驗平臺存在模塊組合種類不足、硬件資源匱乏、功能較為單一等缺點，無法滿足DSP實驗教學的需求，為此我們自主開發了DSP電機控制綜合實驗平臺。在經過多次的討論修改之后，研制的DSP電機控制綜合實驗平臺已批量生產。鑒于DSP在電機控制[3-4]中的重要作用，制定了相關實驗內容[5]，包括控制直流電機、永磁無刷電機、三相永磁同步電機調速實驗等3個綜合實驗已成功用于實際教學中，在學生中獲得良好反響。該平臺在滿足課程要求外，還為本科生畢業設計、大學生科研項目計劃(SRTP)、各類學科競賽及科研提供了服務。

1 DSP電機控制綜合實驗平臺

我們開發的DSP電機控制綜合實驗平臺以模塊化、實用性、安全性、高可靠性為指導思想，經多次討論修改，最終實驗平臺實物圖見圖1。該實驗平臺由箱內供電電源、箱體上DSP電機控制核心板、DSP仿真器、各功率模塊實驗板和有關控制對象等組成。該實驗平臺的總體框架見圖2，其由DSP電機控制核心板、直流電機調速模塊、無刷直流電機調速模塊、三相交流永磁同步電機(以下簡稱永磁同步電機)調速模塊4部分組成，涉及到3種常見電機的調速，能完全滿足學生掌握DSP在電機控制系統中的應用以及工程實際的需求。

圖1 DSP電機控制綜合實驗平臺實物圖

圖2 DSP電機控制綜合實驗平臺總體框架圖

1.1 DSP電機控制核心板

TMS320C28x系列是TI公司最新推出的數字信號處理器，是目前市場上最先進、功能最強大的32位定點數字信號處理器之一，它既有數字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大量數據處理的場合，如工業自動化控制、電機伺服控制系統等[1]。為了能夠實現電機控制中大部分先進算法，給學生拓展與創新提供更多條件，本實驗平臺中的DSP電機控制核心板的主控制芯片采用TI公司生產的TMS320F2812芯片。

主實驗電路板充分利用了TMS320F2812芯片資源，它提供了豐富的DSP外圍電路，硬件采用模塊化設計，結構簡單，各模塊之間可靈活組合，操作方便、直觀，用途廣泛。核心板的主框圖如圖3所示，主要由電源、數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、PWM輸出、復位電路、JTAG接口、保護電路、速度位置信號輸入等部分組成。為方便學生實驗操作，在主控制板上加入了鍵盤輸入、數字顯示等部分。由于本實驗平臺的實驗目的是讓學生熟悉掌握DSP的原理與應用，我們在該實驗平臺設置了信號輸入調理電路，并與DSP的模擬信號輸入引腳相連。學生實驗時，只要通過互感器將信號連接到裝置上，就可以對電流、電壓信號同時進行處理，省去了設計調理電路的時間，讓學生用更多的精力放在熟悉DSP的應用上[6]。該電機控制核心板主要完成了信號調理和主控功能。該控制核心板可以作為電機通用開發平臺,可以控制種類較多的電機，這為學生實現自己的創新想法提供了可能。

圖3 DSP電機控制核心板的主框圖

1.2 直流電機驅動模塊

直流電機易于調速，且具有良好的機械特性，能在大范圍內平滑調速、啟動、制動和正反轉等，目前在傳動領域中占有重要的地位[3]。本直流電機調速實驗采用額定電壓為5V、額定轉速為5000r/min，額定電流為30mA的直流電機。考慮到直流電機常工作在正反轉的場合，需要使用可逆PWM系統，故應用H型雙極性驅動電路[7]，如圖4所示。根據運行控制要求和電機實際反饋情況，改變DSP輸出PWM信號的占空比，從而改變施加于電機端部的電壓，實現電機轉速和轉向的控制。

圖4 H型雙極性驅動電路

1.3 無刷直流電機驅動模塊

無刷直流電機(BLDCM)是近年來發展起來的融合多學科技術的一種新型電機，是典型的機電一體化產品，具備有刷直流電機效率高、起動和調速性能好的優點；由于取消了電刷和換向器，又具有壽命長、可靠性高、噪音低等優點。目前BLDCM廣泛應用于航空航天、軍事、醫療器械、儀器儀表、過程控制、機車工業、紡織工業以及家用電器等領域[8-10]。為此有必要通過實驗加深學生對BLDCM的理解。本無刷直流電機調速實驗模塊，采用額定電壓為24V、額定轉速為6000r/min、額定電流為0.6A的無刷直流電機，其實驗原理圖如圖5所示。根據霍爾信號傳感器獲取的BLDCM轉子位置和電流傳感器得到的電流信號，給出6路帶有可控占空比的PWM控制指令，利用IPM集成模塊直接驅動電機，實現調速。此外，電路板上帶有過壓保護、故障檢測、過流檢測、轉速保護等保護電路，有效地保障了電路的安全，能避免因學生實驗誤操作造成電路損壞。

1.4 永磁同步電機驅動模塊

永磁同步電機具有結構簡單、運行可靠、體積小、重量輕以及具有較高的效率和功率因數等優點，已廣泛應用于工業機器人、數控機床、柔性制造系統的各種自動化設備等領域[11]。本永磁同步電機調速實驗模塊采用額定功率為200W、額定轉速為3000r/min的永磁同步電機，其實驗原理圖見圖6。利用DSP內部資源采集電機的反饋量，包括定子相電流、轉子位置和轉速，以此為依據產生可控制的脈沖驅動三相橋式逆變器，進而控制逆變器的輸出電壓，改變該永磁同步電機的電磁轉矩，實現該電機的全數字變頻調速。

圖5 無刷直流電機控制原理圖

圖6 永磁同步電機實驗原理圖

2 實驗項目

DSP電機控制綜合實驗平臺可實現直流電機、無刷直流電機、永磁同步電機等調速實驗。3種電機系統所對應的控制算法與驅動電路均有所不同，控制算法由共同的DSP控制核心板實現。核心板采用TMS320F2812芯片，集成了PWM控制信號發生模塊，通過調整事件管理器的定時器來控制寄存器設定PWM工作方式和頻率，調整比較值及調節PWM的占空比，調整死區控制寄存器、設定死區時間，輸出占空比可調的帶有死區PWM控制信號，利用功率驅動模塊實現對電機的控制。

2.1 直流電機調速實驗

直流電機調速實驗是3個電機綜合實驗中最簡單的實驗，但對于學生理解電機最基本的控制原理有極大幫助。因此該實驗要求學生提前復習直流電機、電力電子技術、電機控制等相關知識。在實驗過程中分組討論，每一個小組需完成單路PWM開環程序和雙路PWM開環程序，分析兩種開環程序的相同與不同、優點和缺點；通過操作面板上的按鍵進行開環調速，讓學生明白調節PWM占空比實現電機調速的原理，同時利用紅外傳感器測定電機轉速方向;在以上基礎上最終完成PID算法閉環程序，包括轉速閉環和電流閉環。

本次實驗的主要目的是使學生了解DSP和MCU組成的雙CPU全數字電機控制系統的硬件結構，熟悉數字PID調節器的原理，理解直流電機雙閉環調速系統的工作原理，通過與實際應用相結合，幫助學生加強對理論知識的認識，增強動手能力。

2.2 無刷直流電機調速實驗

無刷直流電機調速實驗與直流電機調速實驗使用同一塊DSP電機控制核心板，但其驅動模塊不同，而且無刷直流電機及其調速系統的工作原理相對直流電機要復雜許多。故本實驗分多個課時段，首先課程教學對無刷直流電機的工作原理和控制原理進行介紹，讓學生了解霍爾信號傳感器獲取轉子位置的原理，在不同轉子位置施加不同電壓矢量實現電機轉向控制的原理等，以期學生在實驗過程中保持思路清晰，忙而不亂。在實驗教學中，讓學生先通過示波器觀察不同轉子位置的霍爾信號，了解霍爾信號對獲取實際轉子位置的作用;然后利用霍爾信號編寫相對應的開關指令，使電機能根據要求運動;在電機正常運轉之后，與直流電機調速實驗相似，調節PWM占空比，改變電機轉速;最后同樣要求學生進行無刷直流電機的速度閉環PID控制。

本次實驗的目的在于使學生了解以DSP為核心構成的數字控制無刷直流電機調速實驗系統的硬件與軟件結構，了解數字PID調節器的原理，掌握無刷直流電機的工作原理以及理解無刷直流電機調速系統的工作原理。

2.3 永磁同步電機調速實驗

在經過上述2次實驗之后，學生對DSP電機調速已有了一定程度的理解，但還需要更完整的電機運動控制實驗，以培養學生系統考慮問題和解決問題的能力。故開設永磁同步電機調速實驗。該實驗為三相交流永磁同步電機磁場定向控制(FOC)，可從TI公司網站下載，其中包含實驗主程序和算法所需的各種模塊，如PARK變換、PID程序、QEP測速模塊等。各個模塊是以函數的形式出現在主程序中，具體的程序編寫在各自的子程序中，因此永磁同步電機實驗的程序是一個具有極強系統性和綜合性的程序。為了幫助學生理解，對程序關鍵部分進行了詳細注釋，希望學生養成模塊化、結構化、系統化的思考方式。學生實驗時，要求首先完成DSP生成PWM波形，對永磁同步電機實現開環控制；然后進行電流環采集電流和電流環閉環控制；最后加入速度環，進行速度環轉速采集和閉環控制實驗。從內環開始調試，培養學生把握重點，逐步解決問題的能力。

本次實驗的目的是使學生了解永磁同步電機的結構和工作原理及DSP為核心構成的全數字控制交流伺服系統的硬件與軟件組成，并且掌握永磁同步電機磁場定向控制(FOC)的工作原理和永磁同步電機電流環和速度環PID參數設計原理。

3 永磁同步電機矢量控制實驗的實現

矢量控制是現代先進的電機控制技術之一，其基本思想是通過坐標變換，將三相定子電流分解為與轉子磁通同方向的等效勵磁電流及轉子磁通方向垂直的等效轉矩電流。由于勵磁電流和轉矩電流相互正交，無耦合，并且在同步速轉子旋轉坐標系中是一組直流標量，能夠像直流電機那樣實現對磁場和轉矩的分別控制，獲得良好的調速特性[3]。本節以永磁同步電機矢量控制的實現為例，驗證DSP電機控制平臺以及實驗設計的可行性。

3.1 永磁同步電機矢量控制策略

根據用途的不同，永磁同步電機矢量控制方法主要有轉子坐標系中d軸電流id=0控制、最大轉矩/電流控制、cosφ=1即單位功率因數控制、弱磁控制、恒磁鏈控制及最大輸出功率控制等[12]。其中，id=0的永磁同步電機矢量控制系統基本框圖如圖7所示。

圖7 id=0永磁同步電機矢量控制框圖

3.2 永磁同步電機矢量控制系統軟件設計

矢量控制系統的軟件分為主程序和2個中斷服務子程序(INT2和INT3)，各程序的流程圖如圖8所示。主程序主要進行系統的初始化，包括變量、系統時鐘和定時器的初始化，并使能中斷，等待中斷產生。

圖8 程序流程圖

矢量控制算法在INT2中斷服務子程序中進行，中斷由定時器直接產生。INT3中斷完成編碼器對速度信號的采集。

3.3 實驗研究

實驗用永磁同步電機參數：額定功率200W，額定轉速為3000r/min，額定線電壓為119.8V，額定線電流為1.265A，定子電阻為15.42Ω，極對數為4。利用本文設計的平臺對該永磁同步電機進行空載實驗，設置給定轉速為600r/min。

圖9為永磁同步電機到達指定轉速600r/min的波形。圖9中ωr為電機轉速、θe為電機轉子位置的電角度、TA為A相調制比，Ia為定子A相電流、id為勵磁電流、iq為轉矩電流。

從電機轉速ωr的波形可知，永磁同步電機穩定加速至給定轉速600r/min，之后平穩運行。A相調制比表現為一馬鞍波，證明采用的調制技術為空間電壓矢量調制策略SVPWM。

從電流波形可知，在電機剛啟動時有一較大的啟動電流。在電機達到給定轉速之后，電流幅值逐漸降至為零，但存在較小脈動。

圖9 實驗結果波形

4 總結

我們開發的DSP電機控制綜合實驗平臺具有以下特點：

(1) 采用模塊組合結構：實現了DSP核心板和直流電機、無刷直流電機、三相交流永磁同步電機及其功率控制電路模塊可標準插拔，便于實驗拓展和設備的維護；

(2) 硬件資源豐富：將所有的硬件資源都集中在一個實驗平臺上，包括DSP核心芯片、A/D預處理電路、功率驅動模塊等，可實現多種功能，并能有效減少實驗平臺體積；

(3) 控制對象豐富：被控對象有直流電機、無刷直流電機、三相交流永磁同步電機，完全能滿足學生的實驗需求，還可根據情況增加異步電機等電機類型進行實驗教學；

(4) 控制程序開放：作為實驗平臺，充分考慮了電機控制程序的核心算法的開放和與提供的系統程序的無縫連接，為學生實現不同的控制算法提供可能，有利于激發學生的學習興趣，增強學生的創造力；

(5) 兼容應用與開發：該平臺除了基本的3種不同電機調速控制之外，還可植入不同的控制算法，以深刻理解不同電機工作原理和控制方法。

本DSP電機控制創新平臺和綜合實驗為學生熟悉并掌握DSP應用和相關電機控制技術提供了便利，取得了較好的教學效果。

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