永磁同步電機(jī)電驅(qū)動教研平臺

林立，劉凡

（1.多電源地區(qū)電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室，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)字信號處理器（DSP）具有實時性強(qiáng)、精度高、速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)、產(chǎn)品線豐富等優(yōu)點。隨著性價比的持續(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)、自主實驗和創(chuàng)新實踐提供了先進(jìn)手段、開放平臺和優(yōu)質(zhì)資源，既提高了人才培養(yǎng)質(zhì)，又給實驗室建設(shè)與實驗教學(xué)改革注入了新的助力，活力，動力和實力。

經(jīng)過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)高校現(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、價格昂貴以及實驗效果不理想等問題。目前的永磁同步電機(jī)實驗平臺還需要進(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)動教研平臺。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)，必須用實驗進(jìn)行控制算法的驗證[7]。因此，應(yīng)制定相關(guān)實驗內(nèi)容，例如永磁同步電機(jī)矢量控制實驗。該平臺可滿足高校電氣類、自動化類、信息類和機(jī)電類本科高年級專業(yè)相關(guān)課程的課程實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和教師的科研需要。

1 永磁同步電機(jī)電驅(qū)動教研平臺

本永磁同步電機(jī)電驅(qū)動教研平臺通過對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)計理念是直接由數(shù)學(xué)公式與邏輯關(guān)系等建模而自動生成控制代碼。使用虛擬可視化平臺（Μatble/Simulink）對控制算法的原理進(jìn)行仿真驗證，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，通過該教研平臺進(jìn)行半實物仿真，驗證與原模型執(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踐提供平臺。

1.1 教研平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

平臺的核心控制器采用TI公司的TΜS320F28335芯片，該 DSP芯片具備一個能夠支持32 位浮點運算的32位定點數(shù)字信號控制器，其內(nèi)部具有針對電機(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所示為教研平臺總體結(jié)構(gòu)框圖。

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

平臺總體結(jié)構(gòu)釆用模塊化設(shè)計，按功能劃分為主電路、驅(qū)動電路、檢測電路、控制電路、保護(hù)電路等幾個獨立的部分，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 教研平臺的硬件組成

經(jīng)多次討論修改，教研平臺實物圖如圖2所示。整個教研平臺硬件分為七個部分：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功率模塊實驗板；⑦保險絲。其中功率模塊實驗板為自主研制，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)動電路和控制板供電，為保證驅(qū)動與控制的相互隔離，采用光電隔離電路于PWΜ信號與驅(qū)動信號間，另外檢測交流側(cè)的電流和直流母線電壓的部分采用霍爾傳感器來實現(xiàn)。控制電路由DSP最小系統(tǒng)、外設(shè)與驅(qū)動電路組成。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)，令平臺在系統(tǒng)控制和檢測方面具有很強(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、故障保護(hù)、泵升電壓控制等。當(dāng)電機(jī)在制動過程中處于發(fā)電狀態(tài)時，會形成泵升電壓，妨礙運行，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。限制電流啟動的目的是預(yù)防起動時產(chǎn)生的瞬時電流損壞二極管，依靠串聯(lián)一個限流電阻在整流橋和濾波電容之間，在合適的時機(jī)短路該電阻保證主電路正常運行。系統(tǒng)內(nèi)置故障檢測電路，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到上述故障信號時進(jìn)行中斷處理，然后阻斷DSP PWΜ波的輸出。

1.3 教研平臺的軟件設(shè)計

平臺的軟件設(shè)計由DSP的開發(fā)平臺程序和個人電腦端的監(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兩部分配合實現(xiàn)。

由于平臺采用模塊化設(shè)計，軟件設(shè)計的一般流程為：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所示為平臺軟件流程。

圖 2 永磁同步電機(jī)電驅(qū)動教研平臺實物圖

圖3 平臺軟件流程圖

平臺軟件設(shè)計各模塊描述如下：

(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)的一個死循環(huán)。

(5)中斷保護(hù)模塊：包括中斷優(yōu)先級、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，驅(qū)動芯片硬件阻止PWΜ輸出，并進(jìn)入中斷程序、功率模塊實驗板上紅燈報警程序和關(guān)機(jī)程序。

(6)定時器中斷使用CPU定時器。32位的計數(shù)器從周期寄存器中裝載數(shù)據(jù)，每經(jīng)過定時器預(yù)分頻器的高8位+1個周期，計數(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算，SVPWΜ以及坐標(biāo)變換的計算過程。

(7)串行口中斷設(shè)計功能是與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，實現(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TΜS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境,可在線觀測程序的中間變量，還可隨時修改控制環(huán)節(jié)的參數(shù)，以此設(shè)計實驗使學(xué)生通過實驗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，且勵磁電流分量為零的控制系統(tǒng)。

該平臺已成功地應(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)項目。以永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)為例驗證該教研平臺的有效性。表1為實驗電機(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，運行在CCS軟件開發(fā)平臺下通過該教研平臺控制實驗電機(jī)。圖7為教研平臺矢量控制策略下永磁同步電機(jī)控制的實驗結(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 矢量控制策略實驗結(jié)果

3 結(jié)語

設(shè)計開發(fā)了一套基于 TΜS320F28335 的永磁同步電機(jī)電驅(qū)動教研平臺，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驗，具有較高的開發(fā)度、便攜性、性價比、教學(xué)針對性、易上手的特點，方便學(xué)生熟悉并掌握DSP和運動控制相關(guān)技術(shù)，可以在教學(xué)實踐中取得較好的應(yīng)用效果。