DSP控制电励磁同步电机DTC系统研究.pdf

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1、第4 2 卷第6 期2 0 0 8 年6 月电力电子技术P o w e rE l e c t r o n i c sV 0 1 4 2 N o 6J u n e，2 0 0 8双D S P 控制电励磁同步电机D T C 系统研究钟天云，周扬忠(福州大学，福建福州3 5 0 1 0 8)摘要：全数字化控制是电机控制系统发展的必然趋势。提出一种基于双D S P 控制的全数字化电机驱动硬件平台。它采用T M S 3 2 0 V C 3 3 型和T M s 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 型D S P 芯片，二者之间通过双端L 1R A M 实现数据的高速交换。在该硬件平台上实现了电励磁同步电

2、机直接转矩控制。实验结果证明了新型硬件平台设计的可行性。关键词：励磁电源；转矩控制；同步电动机，电机驱动中图分类号：T M 3 0 1 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 0-1 0 0 X(2 0 0 8)0 6-0 0 4 1-0 2R e s e a r c ho naD T Cf o rE l e c t r i c a l l yE x c i t e dS y n c h r o n o u sM o t o rD r i v eb a s e do nD u a lD S PP l a t f o r mZ H O N GT i a n y u n，Z H O UY a n g

3、 z h o n g(F u z h o uU n i v e r s 渺，F u z h o u3 5 0 1 0 8，C h i n a)A b s t r a c t：T h ed i g i t a lc o n t r o li st h et r e n do fm o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y Ah i g hp e r f o r m a n c ed i g i t a lc o n t r o lp l a t f o r mf o rA Cm o t o ri si n v e s t i g a t e d T h eT

4、 M S 3 2 0 V C 3 3D S Pa n dT M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AD S Pa r ei n c l u d e di nt h en e wp l a t f o r ma n dt h ed a t ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ee a c ho t h e ri sc a p t u r e db yad u a l-p o r t e dR A M Ad i r e c tt o r q u ec o n t r o l(D T C)f o re l e c t r i c a l l y

5、e x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o ri se x p e r i m e n t e dO nt h en e wp l a t f o r m，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dd r i v es y s t e mi sf e a s i b l e K e y w o r d s：m a g n e t i z i n gp o w e rs u p p l y；t o r q u ec o n t r o l；s y n c h r o n o u sm

6、o t o r|m o t o rd r i v el引言从上世纪8 0 年代至今随着微电子和微处理器集成技术和制造技术的进步。交流驱动系统经历了最初的模拟式、数字模拟混合式后，发展到了今天的全数字式。与模拟系统相比。全数字化系统的优点有：系统性能提高。由于高速集成控制器的应用，提高了系统的精度、响应速度、动静态性能以及稳定性；可编程能力强。由于算法易于用软件实现，故调试维护方便而且易于系统的升级；集成度较高。大大减小了控制系统的体积，节省了现场空间。目前。电机驱动系统中较为流行的微处理器是D S P芯片，它有浮点和定点之分。目前实现电机驱动系统全数字化的主要方案有：利用单片浮点芯片，如T M

7、 S 3 2 0 C 3 1 3 2，可实现系统中所有的浮点运算：采用定时器定时、中断的方法，可实现P W M 功能。该方法的优点是能方便、快速地实现浮点算法：缺点是受P W M 功能的限制，采用定时中断时发出的脉宽不准确，而且A D 采样、D A输出、电机转子位置及速度等必须通过D S P 外围扩展芯片实现，故硬件结构复杂。利用定点芯片，如T M S 3 2 0 L F 2 4 0 2 4 0 7 A 等。该方法的优点是这类芯片有专用的P W M 模块、A D 采样模块、正交编码模块等电机驱动接口。大大简化了硬件结构；缺点是需用定稿日期：2 0 0 7 一1 2 0 3作者简介：钟天云(1

8、9 7 5 一)，女，江苏淮安人，讲师，研究方向为电气控制技术。定标方法实现浮点算法。编程繁琐，程序冗长I t 。电励磁同步电机以其功率因数可调运行效率高等优点，广泛用于工业领域。芬兰学者在1 9 9 8 年实现了它的直接转矩控$1 J(D T C)m。文献【3-4】对该种电机的D T C 理论又进行了更加深入的研究及论证。在此，结合浮点D S P 和定点D S P 的优点，提出一种T M S 3 2 0 V C 3 3 型与T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 型D S P 芯片相结合的电机驱动系统全数字化方案并对电励磁同步电机的D T C 进行了实验研究。2系统构成2 1 硬

9、件系统构成T M S 3 2 0 V C 3 3 型D S P 内部时钟频率高达7 5 M H z，具有很强的浮点运算能力：T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 型D S P具有电机伺服所必需的各种控制模块，如P W M 模块、A D 转换模块及正交编码测速接口等模块；双口R A M 具有吞吐数据简洁方便的优势。在此结合这3种芯片的优点开发出同步电机(永磁同步电机及电励磁同步电机)D T C 硬件平台。其结构框图见图1。定子两相绕组电流缸、直流母线电压魄及转子励磁电流玉通过霍尔传感器检测后，加到T M S L F 2 4 0 7 A 的A D 采样模块进行采样，并存储到双端口R

10、A M 单元中。旋转编码器检测过来的位置信号加到T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 的正交捕捉端口。检测出的位置信号同样存储到双端口R A M 单元中。双端口R A M 采用C Y 7 C 0 2 5 芯片。其读写周期仅为2 5n s，可存储8k B。4 1 万方数据第4 2 卷第6 期2 0 0 8 年6 月电力电子技术P o w e rE l e c t r o n i c sV 0 1 4 2 N o 6J u n e，2 0 0 8图1 硬件、F 台框图T M S 3 2 0 V C 3 3 计算出P W M 必需的数据用双口R A M 送至T M S 3 2 0 L

11、F 2 4 0 7 A。由T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 中的P W M 模块准确发出P W M 波驱动I P M 功率模块。利用一片I S P l 0 1 6 可编程器件实现系统中所有端口的译码：利用另一片I S P l 0 1 6 实现系统中的各种保护功能。程序计算出的中间结果通过D A 转换输出观测。为了便于程序调试，为T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 扩展了一片R A M 用于存储T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 的程序，调试好的最终程序可烧写到T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 内部F L A S H 中。在T

12、M S 3 2 0 V C 3 3 侧调试中，程序可直接装载到其内部R A M 中，同时为T M S 3 2 0 V C 3 3 扩展了一片E：P R O M，用于存储最终T M S 3 2 0 V C 3 3 侧的程序。左右端口中断信号分别与T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 的I N T I 及T M S 3 2 0 V C 3 3 的I N T 0 连接。双口R A M 作为二者间的桥梁，完成数据交换和信息交流。具有2组相互独立的地址线、数据线和控制线，片内包含的控制逻辑解决了中断逻辑(处理器之间的信号关系)、仲裁逻辑(2 个C P U 正在使用同一地址时的时间关系)、旗

13、语逻辑(把一块存储器临时分配到某一边的硬件支持)3 个问题，从而能很好地解决双机之间的数据和信息交流问题。C Y 7 C 0 2 5 的最高位存储单元1 F F F 作为右边端口的中断信箱，次高位存储单元1 F F E 作为左边端口的中断信箱。各C P U 可以读取双方的中断信箱，但只能写对方的中断信箱。当一端写入对方的中断信箱时，对方就会产生一个中断信号：读自己的中断信箱则清除自己的中断信号。读对方的中断信箱不会清除中断信号，而且可以根据信箱的不同内容，方便地在不同处理子程序之间实现切换。这样就能实现双D S P 之间的协调工作。2 2 软件控制方案电励磁同步电机的D T C 系统框图如图2

14、 所示最优开关矢量表见文献【5 。转矩t 和定子磁链识分别通过对应的迟滞比较器与各自的参考值Z j 和，孵进行比较，以获得开关量r 和9，再结合定子磁链矢量所处扇区。在最优开关表中查得最优电压矢量输出，实现电机电磁转矩和定子磁链的快速控制。转子4 2转速采用无速度控制方案。转子励磁电流按照电机功率因数等于l 的控制策略进行控制。图2 电励磁同步电动机直接转矩控制系统实现上述算法的主程序流程见图3。2 个D S P与双端口R A M 之间通过中断方式传递信息，当T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 把采样的数据准备好后向1 F F F H单元中任意写1 个数。从而引起T M S 3

15、 2 0 V C 3 3 中I N T 0 中断在相应的中断子程序中置A D O K 标志位：依次类推，当T M S 3 2 0 V C 3 3 准备好数据后，利用T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 中断1 子程序对S U J O K 标志位置1。双D S P 的工作的时序见图4。n i 雨l 系统仞始化=转f 纠始定位；=工=l 垒里!型堕些I盯而焉硐殛岁D 转换完毕吗3；汇豳R A M存于权门I置A D O K 际志I矢酝及时田准备好吗?；U J U O K=l?I 胃比较寄存器C M P R l，II C M P R 2 及力式控制寄Il存器A C T Rlr j 1il

16、 清S UJ U O K 标志l。：=丁=一ID 转换I=r 一(a)T M$3 2 0 L F 2 4 0 7 A D S P叫医圃：!：jI一柳始化数据装入双1 2 R A M=工=置数据准备好标志(s u J I O K)丙茹翮D O K=l汇清A D O K置数据准备好标志(S U J U O K)=r=置D A 转换数据=匕=l 计算欠最Il 及时问1=】=1 汁算转矩及lI 转矩给定I=亡=I 速度给定I(b)T M S 3 2 0 V C 3 3 D S P图3 算法程序流程图睹置欠!一次2 4 0：巾量一苦图4 双D S P 工作的时序图(下转第8 3 页)等筹 万方数据基于F

17、 P G A 的实时可编程高精度信号源设计6 结束语所设计的高精度信号源将单片机、F P G A、信号调理等技术进行了有机的结合构建了一个闭环控制自检系统，能提供正弦、方波、三角、锯齿及不规则信号。利用U S B 总线技术。可实现计算机数据和命令的实时下载信号源功能均通过计算机发出命令下传给硬件实现，具有实时可编程的优点。经实验测量，信号源输出信号精度可达0 0 1 且信号线形度和输出重复性较好，满足设计要求运行良好，性能稳定。参考文献【1】1武锦辉，闫晓燕高精度雷达信号源设计叨弹箭与制导学报，2 7(1)：3 3 7 3 3 8【2】王锐刚，黄峻，王化忠数字宣接合成信号源叨云南农业大学学报，

18、2 0 0 7 2 2(1)：1 4 6 1 4 8【3】3蔡磊，王新，朱彬多路信号源在阵列天线测试系统中的应用叨仪器仪表学报，2 0 0 6，2 7(6)：2 2 6 2 2 7【4】张良，章林文，刘承俊，等基于M O S F E T 的固体调制器研究【J】电力电子技术，2 0 0 7，4 1(5)，5 8 6 0【5】贺明智，许建平，胡晓明基于F P G A 的D C D C 开关变换器的数宁控制器【J J 电力电子技术，2 0 0 7，4 1(6)：7 l 刁3(上接第4 2 页)3 实验结果被控对象电励磁同步电机参数：额定功率3 0 0 W。额定电压1 5 0 V，额定转速l5 0 0

19、r r a i n，极对数2 直轴电感9 2 4 7 m H。交轴电感6 0 4 m H。定，转子互感4 5 0 m H，定子电阻1 3 3 Q，转子电阻9 8 Q，定子漏感0 1H，转子励磁绕组自感4 3 2 4 m H。交轴上阻尼绕组与定子互感3 1 2 2 2 m H，直轴阻尼绕组自感3 5 6 m H 直轴阻尼绕组电阻0 1 5 lQ 与直轴阻尼绕组励磁绕组互感2 8 3 0 8m H 直轴上阻尼绕组与定子互感4 2 3 6 m H，交轴阻尼绕组自感3 2 m H，交轴阻尼绕组电阻0 1 4 n。图5 示出实验波形。t o 时刻，电机从7 5 0 r m i n 开始升速，至t。时刻，

20、转速达15 0 0r m i n 额定转速，且从该时刻起，电机定子磁链开始弱磁。即由恒转矩区的0 6 1W b 开始减小。转矩给定由3N m开始随转速成反比减小。在t：时刻，电机转速达20 0 0r m i n，定子磁链幅值减小到0 4 5W b。从整个速度上升过程可见，系统平稳地实现了弱磁过程。：，k：I iH+扣撞必。夕莲善：玎r：；t l毒!龟。；i 岛t(5 0m s 格)(a)给定速度 c 和响应速度,，癌王；r-qd￥蓦?一臻￥t(5 0m s 格)(c)定r-磁链幅度和转子电流i r图5 弱磁升速实验波形图6 是电机负载转矩为1 5N m 下。系统分别稳态运行于3 0 0r m

21、i n 和20 0 0r m i n 时的实验波形。由图可见，无论是低速还是高速，定子磁链在相位上均约滞后于定子电流9 0 0。根据定子磁链与感应电势的关系可知，定子电流与定子感应电势基本同相位，电机的功率因数接近于l。由于基本D T C 转矩动较大，反映在转子电流上有一定的脉动。1(2 5m s 格)(a)n=3 0 0r m i n l j,t。“波形t(2 5m s 格lt(5ms格)t(5m s 格)(c)n=20 0 0r r a i n 时。，岛波形(d)”=20 0 0r m i n 时i，矸波形图6 负载稳态实验波形4 结论T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 型

22、D S P 芯片具有电机驱动专用接口模块，例如A D 采样模块、P W M 模块及正交接口模块等：T M S 3 2 0 V C 3 3 型D S P 芯片具有高速浮点运算功能，其外围接口简单；双端口R A M 吞吐数据大，可并行传送数据。结合上述3 种芯片的优点设计出一种适用丁二同步电机直接转矩控制的高性能控制平台，并在该平台上实现了电励磁同步电动机直接转矩控制。实验表明，该该硬件设计方案可行。参考文献【1 1沈红平，奚国华，喻寿益，等基于D S P 异步电机无速度传感器直接转矩控制阴电力电子技术，2 0 0 7，4 1(5)：3 6-4 1【2】2P y r h o n e nJ，N i

23、e m e l aM，K a u k o n e nJ T e s tR e s u l t sw i t ht h eD i r e c tF l u xL i n k a g eC o n t r o lo fS y n c h r o n o u sM o t o r s J I E E EA E SS y s t e m sM a g a z i n e，A p r i l1 9 9 8，(4)：2 3-2 7【3】周扬忠，胡育文，黄文新，等阻尼绕组对直接转矩控制同步电机动态行为的影响叨航空学报，2 0 0 5，2 6(4)：4 7 6 4 8 1【4】周扬忠，胡育文，黄文新低转矩磁链

24、脉动型电励磁同步电机直接转矩驱动系统的研究【J】中国电机工程学报，2 0 0 6，2 6(7)：1 5 2 1 5 7【5】LZ h o n g，MFR a h m a n，WYH u，e ta l A n a l y s i so f D i r e c tT o r q u eC o n t r o li nP e r m a n e n tM a g n e tS y n c h r o n o u sM o t o rD r i v e s 田I E E ET r a n s o nP o w e rE l e c t r o n i c s，1 9 9 7，1 2(3)：5 2 8-

25、5 3 5 8 3吓(_难，qo一誊一娌，v一矗一难，q；乜。v、。蓦窭，v)，万方数据双DSP控制电励磁同步电机DTC系统研究双DSP控制电励磁同步电机DTC系统研究作者：钟天云，周扬忠，ZHONG Tian-yun，ZHOU Yang-zhong作者单位：福州大学,福建,福州,350108刊名：电力电子技术英文刊名：POWER ELECTRONICS年，卷(期)：2008,42(6)被引用次数：1次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.L Zhong;M F Rahman;W Y Hu Analysis of Direct Torque Control in Permanent Magne

26、t Synchronous MotorDrives外文期刊 1997(03)2.周扬忠;胡育文;黄文新 低转矩磁链脉动型电励磁同步电机直接转矩驱动系统的研究期刊论文-中国电机工程学报 2006(07)3.周扬忠;胡育文;黄文新 阻尼绕组对直接转矩控制同步电机动态行为的影响期刊论文-航空学报 2005(04)4.Pyrhonen J;Niemela M;Kaukonen J Test Results with the Direct Flux Linkage Control of SynchronousMotors外文期刊 1998(04)5.沈红平;奚国华;喻寿益 基于DSP异步电机无速度传感器直接转矩控制期刊论文-电力电子技术 2007(05)引证文献(1条)引证文献(1条)1.岳舟.谭甲凡.杨玲.肖永涛 多电压矢量矩阵变换器的直接转矩控制研究期刊论文-电力电子技术 2009(4)本文链接：http:/