自制嵌入式運動控制學習開發系統

李永越，劉潤杭，郝赫，周玉，呂佳奇，馬駿杰

（哈爾濱理工大學榮成學院，山東威海 264300）

專業實驗教學是培養大學生尤其是理工科大學生綜合能力和提高理工科大學生綜合素質的最重要手段之一。隨著科技進步和社會發展，以及學科發展和專業調整，專業知識更新較快、專業教學內容變化較大，需不斷創新和解決的問題較多，培養專業實踐技能的儀器設備需要不斷更新。高校現行的實驗教學管理運行機制和專業實驗教學儀器設備等條件，普遍難以滿足專業實踐綜合動手能力和創新意識培養的要求，與高校高素質創新人才培養要求的矛盾日顯突出[1-2]，因此，需自主研制實驗教學儀器設備來提升專業實驗教學水平[3-5]。

1 實驗教學平臺設計

1.1 技術路線

項目組將采用先進、可行的研究方法和步驟。遵循圖1 所示的技術路線進行研究。

圖1 技術路線

1.2 基于Matlab虛擬實驗平臺的搭建

Matlab 作為自動化、電力電子技術、電機學主要的虛擬仿真環境，在項目開發時為工程師節省了很多時間[6-7]，將虛擬環境下的仿真模型無縫地切換到真實的數字平臺運行是目前研究的重點。不少高校及研究單位已經購買了基于F28x 的虛擬仿真環境，但價格極其昂貴，不具備推廣性，因此，自主開發一套便于實現和推廣的基于Matlab 虛擬環境下的數字化代碼仿真平臺迫在眉睫。

基于正在進行的國家級大創項目《全數字可視化異步電動機變頻調速系統》（項目號：201910214004）的基礎上，進一步優化Matlab 虛擬代碼仿真在電力電子數字化開發中的應用技術。利用已搭建的開放式Matlab 虛擬環境直接仿真DSP 真實代碼，模擬DSP 代碼在硬件中的執行情況。優化建立CCS 與Matlab 關于COFF 格式文件間的數據傳輸通道及M語言與C 語言之間的邏輯。基本原理如下：

DSP 盒以Matlab 的S-Function Block 為 基礎進行虛擬構建，并且加以封裝，使用固化的外部輸入輸出信號作通道，將虛擬DSP 與代碼進行對應。即代碼編譯通過后將可執行文件（.out）直接加載到Matlab的模型中進行仿真。這種做法的優點很明顯，仿真時只需修改目標代碼，通過后該代碼可直接用于樣機實驗；由于信號已經同固化函數進行對應，數學模型就像黑盒。

1.3 嵌入式運動控制學習開發系統的構建

嵌入式運動學習開發系統以DSP 為核心，搭建數字化控制系統，驅動電路采用光耦隔離的分離式結構，功率開關器件避免了SCR 等電流控制器件體積大、驅動電路復雜等缺點，采用高壓、大電流壓控式IGBT，以減少硬件系統的體積，提高硬件系統的功率密度。主電路采用電力電子中主流的交-直-交拓撲結構；加載SPWM、SVPWM、VVVF 等控制算法，通過外部調頻調速按鈕，實現三相異步電動機的調速。

1.3.1 基于IR2110的自舉電路

采用常規的光電隔離和變壓器隔離驅動方式時，有一個共同的缺點就是需要輔助電源。當驅動多個IGBT 或MOSFET 等功率器件時，驅動電路的設計主要考慮上橋驅動電源的浮地問題[8-9]。解決這個問題有兩種方法：一種是多電源驅動方式，缺點是增加了電源數量，增加了成本；另一種是采用自舉技術，如圖2 所示。

圖2 自舉電路

當上管V1關斷，下管V4導通時，N點電位為＋15 V電源，M 點為＋15 V，若忽略二極管D1的導通壓降，則自舉電容C5的電壓為＋15 V；而當上管V1導通，下管V4關斷時M 點的電壓為Vdc，而N 點電位由于自舉電容C5電壓不能瞬變，N點瞬時電位為（Vdc＋15）V，則自舉二極管D1承受反壓關斷，從而保護＋15 V 電源。自舉二極管需采用高耐壓的快速恢復二極管，該例中D1采用FR107（反向耐壓700 V，1 A）。自舉電容C5需采用較大電容值（系統取為100 μF），在載波頻率為20 kHz 的條件下自舉電容的電壓波動不超過100 mV，從而保證上橋功率開關管能夠安全、可靠地運行[10-12]。

IR2110 的優點有以下兩點：

1）自舉懸浮驅動電源，可同時驅動同一橋臂的上、下兩個開關器件,可驅動500 V 主電路系統,工作頻率高，能達到500 kHz；

2）驅動電路簡單，典型應用電路如圖3 所示，圖中采用5～20 V 電源（VDD），用于TTL 和CMOS 邏輯信號輸入，圖中VCC為門極驅動電源，一般在10～20 V 左右。COM 與VSS的連接使VDD與VCC可共用同一個典型值為＋15 V 的電源，為后者起到了良好的路徑。

圖3 IR2110典型應用電路

在圖2 中，C2是一個自舉電容器，VCC給D1、C2、負載、VT2充電，以確保T1管的柵極通過由C2提供的能量來驅動，從而實現自舉驅動。由此可見，T1在周期內，每開關一次，C2就會受到影響，并且會在同周期內通過T2開關充電一次，由此可見，輸入信號HIN、LIN 的PWM 脈沖頻率和脈沖寬度也會通過每個周期的開關，進而影響自舉電容C2的充電。當PWM 在低頻下工作時，T1導通的脈寬較窄時，很容易滿足自舉電壓8.3 V；反之，則無法實現自舉。因此，必須合理設置PWM 開關頻率和占空比的調整范圍。實際，自舉電容上的電壓僅為電源電壓VCC，電荷以及最長的導通時間會限制電容[13-16]。

1.3.2 簡化SVPWM發波算法

傳統SVPWM 算法需坐標變化和復雜的運算，經研究，提出了一種偏置的SVPWM發波算法，原理如下：

為了新的發波算法，首先將偏置電壓voffset(t)與式（1）相電壓結合，波形如圖4 所示。

圖4 加入偏置電壓所得波形

在三相給定為正弦波的情況下擬合出三次諧波，如圖5 所示。陰影部分就是通過三相平衡正弦波擬合出的偏置電壓。

圖5 voffset(t)的生成

同理，先取三相載波電壓的最大值和最小值，如式（3）所示：

電壓偏置分量如式（4）：

由此，可以得到新穎的偏置型PWM 發波算法控制框圖，如圖6 所示，仿真模型如圖7 所示，仿真結果如圖8 所示。

圖6 偏置型PWM發波算法控制框圖

圖7 仿真模型

圖8 仿真結果

1.4 控制器的小型化、全數字化、便攜式的研究

在已經結項的國家級創新訓練計劃《虛擬環境下DSP 真實代碼仿真技術在三相四橋臂電路中的研究》(項目號：201710214018)的基礎上開發下一代控制裝置。充分發揮DSP的數據運算能力，通過軟件方式合理高效地利用片上資源，減少硬件設計成本。除此之外，DSP和FPGA 具有靈活多變的代碼燒錄、軟件升級方式，不僅可以現場升級代碼，還可以在異地通過網絡通訊的方式進行升級，為系統提供了多種保障。

1.5 實驗教學平臺

實驗教學平臺實物圖如圖9 所示。

圖9 實驗教學平臺實物圖

2 實驗教學平臺優勢

2.1 優化電路布局

將信號級與功率級電路進行優化布局，并將DSP 最小系統與主控板設計成可插拔結構，推出了適合主控板的F28335 產品和F28004 產品。

2.2 加強系統集成

實驗教學平臺在硬件電路的設計中采用集成化、口袋化設計，例如采用“自舉電路”設計，將前兩代產品中所需的體積龐大的IGBT 驅動電源進行了集成。在整套系統尺寸大小不足B5 紙的情況下依舊滿足實驗要求，電機調速功率達到2 kW。

2.3 采用虛擬仿真技術提升效率

為加速軟件開發，該系統配套開發了具有自主知識產權的DSP 真實代碼仿真技術。通過在Matlab中建立的C28x 內核，直接模擬DSP 代碼在硬件中輸出波形，通過Matlab 觀測波形，進而使DSP 中的程序得到可觀的驗證。

2.4 打造開放式系統

該系統提供多套控制代碼，在硬件上預留了可選通逆變器、LC 濾波器及傳感器的接口，為用戶提供了并網逆變器控制的硬件平臺。此外該系統還支持多類型電機接口、并引出DSP 片上所有的88 路GPIO 信號，為用戶提供了二次開發的可能。

2.5 更利于進行實驗設計

實驗教學平臺的實驗開發板是“三合一教學板”，既可以滿足基本DSP 教學實驗，例如，GPIO 實驗、串口實驗、CAN 收發實驗、ADC 實驗、SPWM 算法以及按鍵輸入實驗，也能進行三相逆變實驗、異步電機調速實驗。

3 結束語

實驗教學平臺的設計能夠讓實驗和教學平臺得到融合，使學生對實驗的理解更加深入，讓教學內容更加豐富。自制嵌入式運動控制系統的設計，既可以滿足現代教學發展的需要，又能融合到現代的實驗中，能讓學生體驗到設計專業實驗方案，親自動手解決問題，能夠讓學習更加具有系統性。利用專業所學，在實踐中務實理論知識，提高專業素質，為今后的學習和工作沉淀經驗。因此，根據自身需要研制出開放、靈活的教學儀器供學生使用，更有利于人才的培養。

該項目以自制實驗教學儀器為背景，通過搭建開放式Matlab 虛擬環境DSP 真實代碼仿真平臺，利用新穎的SVPWM 發波算法，以主流DSP 為核心構建嵌入式運動學習開發系統，該系統設計了基于IR2110 的“自舉電路”，解決了橋驅動電源的浮地問題，并且具有小型化、全數字化、可視化、便攜式的優點，有利于學生在實踐探索中進行自主學習。且該嵌入式運動學習開發系統已經用于我校電氣工程專業《運動控制系統》課程的實驗教學環節，性能穩定且反饋良好。該系統還可用于《電力電子技術》、《電源變換技術》、《DSP 原理與應用》、《電動汽車新技術》等多門課程的實驗教學環節，能夠更好地實現教學儀器和專業實驗教學內容的有機結合，值得推廣。