基于DSP的交流异步电机高精度调速系统设计

摘要：针对交流异步电机的特性，设计了一套基于DSP的交流异步电机高精度调速系统。系统应用矢量控制技术作为系统的总体控制方案，以TI公司电机控制专用的高速数字信号处理器(DSP)TMS320F2812为系统的核心处理器，三菱电机公司的PS21246智能功率模块(IPM)为逆变器件，在此基础上运用空间电压矢量脉宽调制技术和模糊PI控制算法，构建了一个基于TMS320F2812 DSP的交流异步电机高精度控制平台。
关键词：DSP；IPM；矢量控制；SVPWM；模糊PI

    近20年来，随着新型电力电子器件的出现，控制器也实现了从8位单片机到32位DSP的转变，特别是新型控制方法的出现，如：矢量控制、直接转矩控制以及模糊控制等，使得高精度交流异步电机调速系统实现成为可能。矢量控制具有转矩平滑，调速范围宽的特点。空间矢量脉宽调制技术(space vector PWM，SVPWM)物理概念清晰，电机脉动转矩小，直流电压利用率高，且易于实现。本文设计并实现了一套基于DSP的高精度交流调速系统，系统采用高速DSP芯片TMS320F2812作为核心，基于矢量控制与SVPWM相结合的控制方式，利用TMS320F2812芯片的事件管理器模块(event manager，EV)产生对称SVPWM脉冲，逆变器则采用智能功率模块(intelligent power module，IPM)，保证了系统可靠性。在此基础上综合模糊PI控制算法，最终设计并构建了基于DSP的高精度交流调速系统。

1 系统的硬件总体设计
    系统为基于高性能处理器的全数字交流调速系统，利用处理器实现对电机的速度环和电流环控制，与传统的模拟调速系统相比，有着结构简单、功能灵活多样、抗干扰能力强等优点。图1为交流调速系统的结构框图。

    系统由弱电控制、强电驱动以及信号采集3部分组成。弱电控制部分是系统的控制核心，其完成对电机的控制、信号量的设定。强电驱动部分是由逆变电路、三相整流桥和三相交流电源组成，其将不可控的三相交流电转化为频率可控的三相交流电来驱动电机。信号采集部分则由电流、测速传感器组成，负责对电机进行电流和转速的检测，为系统提供反馈信号。以上3部分有机的组合在一起就构成了一个高精度交流电机调速系统。

2 主要硬件芯片的选型及相关电路设计
2．1 DSP芯片的选型
    主处理器选择了TI(美国德州仪器)公司的TMS320F2812芯片，F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，最高可在150 MHz主频下工作。F2812片内集成众多资源：存储资源FLASH、RAM；标准通信接口，如串行通信接口(SCI)、串行外设接口(SPI)、增强型eCAN总线接口，方便与外设之间进行通信。在F2812内部还集成了一个12位的ADC转换模块，最高采样速率达12．5 MS／s；F2 812片上还包括事件管理器(EV)、定时器、看门狗以及大量的用户可开发利用的GPIO口等资源。该芯片具有很高的性价比，广泛应用于工业控制，特别是应用于处理速度、处理精度方面要求比较高的领域，十分适合于本文的高精度电机控制系统。
2．2 逆变电路
    逆变电路将整流后的直流电变成可控的交流电，考虑系统的安全性和稳定性要求，此部分采用模块化的设计思想，即选择智能功率模块IPM作为功率器件。
    IPM是一种先进的功率开关器件，具有高电流密度、低饱和电压、耐高压、高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率等优点。IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也增强了系统的可靠性。
   系统采用了日本三菱电机的PS-21246系列的IPM智能功率模块。当IPM发生故障时，FO引脚输出低电平，产生PDPINT功率保护中断，实现保护。[!--empirenews.page--]
2．3 高速隔离电路
    为实现低压数字电路和高压功率电路之间的电气隔离，通常采用光耦隔离，另外，由于SVPWM算法输出信号频率较高，需要反应速度较快的光耦，普通的P521光耦无法满足速度要求，故设计中采用的是一款专用的IPM驱动芯片HCPL-4504。
    HCPL-4504是美国安捷伦公司专为IPM等功率器件设计的高速光电隔离接口芯片，瞬间共模比为15 kV／μs，内部集成高灵敏度光传感器，可以准确、快速反应信号变化状况，极短的寄生延时合适于IPM，是功率器件接口的完美解决方案。
2．4 电平转换驱动电路
    由于HCPL-4504需要的的驱动电流为16 mA，而DSP为3．3 V TTL电平标准，其输出的电流只有nA数量级，因而无法直接驱动。因此，系统需要增设电平转换驱动电路，如图2所示。

    选用的芯片SN74ALVC164245是TI公司推出的一款3态输出电平转换芯片，提供2×8道的3．3 V转5 V(反之亦可)的电平转换接口，最大可输出24 mA电流，其中A端为5 V电平，B端为3．3 V电平。
2．5 霍尔电流传感器
    霍尔电流传感器是利用霍尔效应来测量电流的，不仅能测直流电流，也能测交流电流，测量精度和量程比电流互感器高，受温度影响很小，且不会产生电流过载。霍尔电流传感器的功耗极低，这是其他互感器无法达到的。系统采用QBC-SY／SYW系列闭环霍尔电流传感器，该系列电流传感器的初、次级之间是绝缘的，具有超强抗干扰能力，用于测量直流、交流和脉动电流。交流互感器连接图如图3所示。

    该款传感器集成了调理电路，在最大可测量输入电流3 A条件下，输出电压4 V。由于驱动电机的额定输入电流为1．12 A，所以其最大输出电压可达，但这并不符合TMS320F2812的输入要求，故还需要另加上一组信号调理电路，将输出电压从±1．5 V调理到0～3 V，才能符合DSP内部3．3 V A／D参考电压的要求。
    信号调理电路需使用RC 4558和TLV431两种芯片，其中RC 4558为双路高性能运放；TLV431为低压可调精密分流稳压器，用作输出一个1．5 V的恒定电压供给信号调理电路使用。信号调理电路工作原理为：当电压信号输入时，先利用放大器作一级跟随处理，然后进行反相，最后进行加法运算。具体电路图如图4所示。

2．6 旋转编码器
    为了实现矢量控制，就必须对电动机的实际转速进行测量，因为TMS32F2812本身的事件管理器中有正交编码脉冲电路，用于连接光电编码脉冲以获得旋转机械的位置和速率，方案中转速测量就采用旋转编码器。
    系统综合考虑后选择了ELTRA公司的EL40A1024Z5增量式编码器作为系统得测速单元。其分辨率达到了1 024脉冲／转，带有零脉冲，输出电平为NPN集电极开路输出，可直接连接DSP，测量转速最高可达6 000转。
    TMS320F2812有两个事件管理器(EVA、EVB)，每个事件管理器(EV)模块都有一个正交编码器脉冲(QEP)电路，它们可以直接与编码器相连，用来检测转速。如果电路被使能，那么可以对从CAP1／QEP1和CAP2／QEP2(EVA)或CAP4／QEP3和CAP5／QEP4(EVB)引脚上输入的正交编码脉冲进行解码和计数。当QEP电路被使能，CAP1／CAP2和CAP4／CAP5引脚上的捕获功能将被禁止。[!--empirenews.page--]

3 系统软件设计
    系统软件采用模块化设计，可以分为2个部分；主程序和中断服务子程序。
    主程序中对硬件和变量进行初始化，对各个控制寄存器置初值，对运算过程中使用的各种变量分配地址并设置相应的初值。初始化模块仅在DSP上电复位后被执行一次，然后进入循环等待时期，如图5所示。

    中断服务子程序是系统的核心部分，包括PWM中断服务子程序，故障保护中断服务子程序，串行中断服务子程序。其中PWM中断服务子程序负责对电流A／D转换、速度计算、矢量变换、SVPWM输出等。故障保护中断服务子程序在系统出现故障时，将会立即禁止PWM输出。串行中断服务子程序则负责DSP与PC上位机之间的通信，如图6所示。

    初始化之后，系统的运行交由中断服务子程序控制。PWM中断服务子程序负责两相定子电流的采样，转速的计算，矢量变换以及SVPWM调制，是系统实现矢量控制的核心部分。系统采用模块化编程，把PWM中断服务子程序分为电流采样模块，电机转速计算模块，矢量控制坐标变换模块，模糊PI调节模块，SVPWM调制模块。

4 结语
    针对交流调速的特点，设计了一套基于DSP的交流异步电机高精度调速系统。该系统应用矢量控制技术作为系统的总体控制方案，以TI公司电机控制专用的高速DSP TMS320F2812为系统的核心处理器，三菱电机公司的PS21246智能功率模块(IPM)为逆变器件，在此基础上运用空间电压矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)技术和PI控制算法，构建了一个基于TMS320F2812 DSP的交流异步电机高精度控制平台。实验表明，系统基本满足高精度调速要求，十分适合于伺服控制系统。