基于DSP的PMSM矢量控制系統的研究與實現

摘 要：以DSP為控制核心的永磁同步電機交流伺服系統是伺服驅動領域的前沿發展方向。文中簡單分析了DSP的特點，并且和實際情況相結合，提出了基于TMS320F240 DSP芯片的PMSM矢量控制系統，重點介紹了控制系統驅動電路、通信電路以及DSP抗干擾的設計，整個系統具有良好的可靠性和抗干擾能力。

關鍵詞：DSP；永磁同步電動機；矢量控制

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 20-0000-01

永磁同步電機（PMSM）采取的矢量控制系統是高性能的伺服控制系統。PMSM有很多特點，簡單的結構、體積能做到很小、運行效率高、過載能力大、轉動慣量等，同時矢量控制策略對于實現線性的轉矩電流特性變得很容易，因此永磁同步電機構成的交流伺服系在控制性能方面能夠取得很好的效果[1]。在交流調速控制系統中，微控制器的使用也使整個控制實現了數字化和智能化。再加上新的控制方法和控制理論的出現，交流調速系統的控制將實現更加準確、實時、簡單、靈活多變的控制效果。先進的嵌入式微控制器能夠實現更加快速的控制，對計算量大的控制算法也能實現快速計算[2]。

一、DSP的特點和一般選擇標準

目前，數字控制系統的核心為微處理器，與傳統的控制方法相比具有以下優點：（1）控制的精度大大提高。以前的模擬控制系統中，由于使用的運算放大器受到溫度變化和電壓波動的影響，其控制精度大為降低；數字控制系統所用的算法均由軟件實現，所以其控制的精度高；（2）系統的響應時間快、穩定度高。以前的微機控制系統中，信號的采樣和程序的執行時間導致系統的響應時間長，且系統穩定性差。數字控制系統具有無差拍控制的方式，可以提高系統的響應速度和穩定性；（3）具有很高的可靠性。在數字控制系統中，采用很少量的電子元器件，減小了數字傳輸過程中的干擾，使系統的可靠性大大提高；（4）具有很好的經濟性。現在微控制器的價格在降低，在很大程度上降低了控制系統的成本；（5）維護簡單、靈活性大。微控制器的寄存器具有很強的記憶能力，將檢測到的各種信號寄存在寄存其中，這樣可以實現實時的故障診斷，而且維修起來很方便。尤其在一些容易出錯的復雜電路環節，用軟件編程可以很好的實現控制，運算起來方便、簡單，且準確度高；（6）設定參數簡單方便。不但控制系統的參數設置簡單方便，而且有望研制出統一性能指標的控制系統；（7）容易觀測實時數據。由于整個控制過程是在微處理器內部通過軟件編程實現，所以在運算和控制的過程中，可以方便的設置A/D轉換器，而且還可以同時觀測多個參數。

一般綜合考慮的DSP型號選擇條件，首先要根據系統運算量的大小、對運算精度的要求、系統成本限制以及體積、功耗等要求選擇合適的DSP芯片；然后設計DSP芯片的外圍電路及其他電路。

二、硬件設計

TMS320C2000系列的DSP芯片己經廣泛的應用于數字電機控制（DMC），工業自動化（IA）、不間斷電源（UPS）等控制領域中。此系列的TMS320F240 DSP芯片將高性能的DSP內核和豐富的微控制器外設功能集于單片之中。DSP內核為16位字長定點格式，執行速度達20MIPS，幾乎所有的指令都可在50ns的單周期內完成，如此高的性能可以對非常復雜的控制算法進行實時運算。

永磁同步電動機控制系統框圖如圖1所示，整個控制系統由核心采用TMS320F240 DSP，主要包括DSP控制器、驅動電路、檢測電路、通信接口電路、顯示電路及其它必要的外圍電路等。

三、控制模塊功能介紹

（一）功率驅動電路。本系統功率驅動電路主要包括：整流、濾波、三相橋式逆變主電路，電流檢測電路，轉子位置及速度檢測電路和故障保護電路等。

（二）通信電路。實驗中采用RS232串行通信接口實現控制系統與PC機的通訊，在整個實驗過程中，可以通過通訊接口將轉速命令發送到微控制器當中，也可以采集電路和電壓信號。對于實驗過程中的系統故障也可以通過串口發送到PC機進行觀測。

（三）DSP系統的抗干擾操作。系統中存在功率開關器件，開關頻率較高，電流大，這就導致系統的電磁噪聲很大，因此硬件電路的抗干擾措施就顯得非常重要。

1.數字電路與模擬電路要分開接地，分別與電源地線相連，同時還要盡量加大模擬電路的接地面積，接地線的尺寸要滿足使它能夠通過三倍于電路板上的允許電流的條件。

2.電源產生的干擾對DSP的影響很大，因此要對電源方面加上防干擾措施。主要措施有以下兩個：一是把輔助電源和主電源隔離開來，不共地；二是將一個電磁濾波器（EMI）接在主電源的交流進線端。

四、結束語

DSP數字信號處理能力強大，而且嵌入式控制功能和事件管理能力也較為完善。相比以其他芯片為核心構成的電動機控制系統，基于DSP構成的電機控制系統具有非常強大的優勢，而且又克服了它們各自的缺點，是最適合電機控制系統的控制芯片，其使用在永磁同步電動機控制領域的應用前景將會是十分廣闊的。

參考文獻：

[1]張東亮.永磁同步電機數字交流伺服系統[J].微特電機，2002（06）：32-33.

[2]何小艇.電機系統設計[M].浙江：浙江大學出版社，2000.

[3]劉劍，楊貴杰，高宏偉.雙三相永磁同步發電機的矢量控制與數字實現[J].電機與控制學報，2013（04）：50-56.

[作者簡介]趙偉（1980-），男，滿族，北京人，河北聯合大學輕工學院講師，河北聯合大學碩士，研究方向：復雜工業系統的建模與仿真、機器人視覺伺服控制；黃文娟（1981-），女，河北唐山人，唐山職業技術學院講師，河北聯合大學碩士，研究方向：自動控制。

[基金項目]唐山市應用基礎研究項目（項目編號：13110207b）。