摘要：设计了一种基于数字信号处理器( tms320lf2407a)和智能化功率模块(pm20csj060)的全数字永磁同步电机运动控制系统，重点介绍了系统的硬件结构和软件实现方法，并搭建实验平台，实验表明该系统具有良好的动态响应和调速特性。

关键词：永磁同步电机；运动控制；数字信号处理器；智能功率模块

中图分类号：tm341; tm351    文献标志码：a    文章编号：1001-6848(2010)07-0050-03

    近年来，永磁同步电机以其功率密度高、效率高、动态响应快、调速范围宽、定位精确等优点，成为了高精度、微进给的****执行机构之一，在数控机床、工业机器人以及精密雷达等运动控制领域得到了广泛的应用。由于对系统的高精度、高稳定性和高抗干扰性的要求越来越高，因此设计金数字的永磁同步电机运动控制系统具有十分重要的意义。

    由于转子磁链职恒定不变，故永磁同步电机运动拉制系统通常采用转子位置定向的矢量控制方式，本文采用id=0的电流控制方法，此时电磁转矩只与定子电流的交轴分量成正比，实现了对力矩的控制参数的解耦，大大简化了控制过程。其控制原理如图1所示，位置误差信号经过位置调节器pi调节后，输出转子转速给定信号wt，计算速度误差信号，经速度调节器pi调节后，输出直轴与交轴电压指令信号ud和uq，经过park逆变换得到定子静止两相坐标系统中的电压指令信号ud和up，利用电压空间矢量调制技术( svpwm)获得实际三相电压svpwm信号，控制电压源逆变器开关状态，实时控制电机的转矩。

    根据矢量控制原理，设计系统的硬件结构如图2所示。考虑到系统的抗干扰性，实现强弱电隔离，将系统硬件分为两个部分：以dsp tms320lf2407a为核心的控制电路板（虚线内部分）和基于ipm的功率驱动电路板。

    控制电路板由tms320lf2407a芯片、电源模块、电流检测模块、编码器信号脉冲整形电路、仿真接口、rs232通信接日、键盘与显示器接口等组成。功率驱动电路板由单相不可控整流桥db35 -10、功率模块pm20csj060、驱动和隔离电路、故障检测写保护电路等组成。

    由于系统采用的永磁同步电机为星型联接，定子三相电流完全对称(ia+ib+ic=o)，因此只需采样两相电流即可。这里选用可调电流霍尔传感器la28 -np，选用1000：5的匝数比，传感器输出电流值为(0~+lo)ma。而tms320lf2407a的a/d转换器可接受的采样范围是(o~3.3)v单极性信号，故需要将传感器的输出电流经过信号调理电路之后，送人adcino和adcin1转换口进行采样。

    系统采用集电极开路输出的1024线增量式编码器检测的丽路正交位置脉冲信号a和b-路零位脉冲信号z经光耦隔离和电阻分压后，转换为dsp可接受o和3.3 v信号，送入qep1、qep2和qep3接口。

    由于ipm内部集成了icbt驱动电路，所以在使用时可将dsp输出的pwm信号经光耦hcpia505芯片隔离后送入74ls244锁存器后，再输出给ipm的pwm信号输入端，pwm信号隔离电路如图3所示。

    ipm中u、v、w三相的每个上桥臂都具有自己独立的scc短路）、oc（过流）、uv（欠压）和ot（过热）四种自保护电路，而下三桥臂共用一个保护电路。以u相上桥臂为例，当u相任意一种短路、过流、欠压、过热保护电路动作时，ufo输出一低电平。由此设计ipm故障保护如图4所示，pm三相上桥臂的故障输出信号ufo. vfo、wfo和下桥臂的故障输出信号fo经低速光耦pc817后，经与门逻辑作用，只要其中有一个故障，就会在与门的输出产生一个低电平，经低通滤波器，送人到基本rs触发器的s端，使触发器寄存此故障信号，此时触发器的q端( foy)为高电平，q端( pdpinta)为低电平。然后将foy信号作为锁存器74ls244的使能端，经光耦输出的pwm脉冲信号呈高阻态，起到封锁pwm输出信号的作用；另外还将pdpinta信号送人dsp的pdpint中断管脚，当该管脚接收到低电平信号，dsp作出相应的坤断处理，立即封锁pwm输出及停止运行。这样就从硬件上和软件上，对ipm的故障采取了保护措施：。保证了反应的迅速性，提高了系统的可靠性。

    全数字永磁同步电机运动控制系统的dsp控制软件由三部分组成：初始化程序、主程序和中断服务程序（包括svpwm申断子程序和外部中断保护子程序）。系统在每次复位后，首先执行初始化程序，实现对dsp内部各功能模块工作模式的设定和对电机转子位置的初始电角度检测。完成上述工作后，系统执行主程序，通过设定特定的标志位，实现控制回路的动作。主程序调用串行通信子程序，向上位机提供电机的电流、转速等运行信息。

    svpwm中断子程序是本系统的控制策略的核心程序，svpwm的调制是将电机两相静止α-β坐标系上的两个正交电压向量uα和uβ作为空间矢量信号实时调制的给定。具体过程为：首先利用两个正交电压向量uα和uβ计算通用变量x、y和z的值，并根据直流母线的变化进行修正，并确定空间矢量所在扇区的编号。由空间矢量所在扇区的编号和通用变量x、y和z的值确定基本空间矢量的作用时间t1和t2，最后确定每相功率器件导通的时间tcoml、tcom2和tcom3。在每次tlcnt下溢中断时将tcoml、tcom2和tcom3。曲写入到tms320lf2407a中分别对应于三个互补的pwm输出通道的比较寄存器cmpr1、cmpr2和cmpr3，并使能定时器与比较寄存器的比较匹配操作，当ticnt中的计数值于比较寄存器中的值相同时，产生的比较匹配信号进入dsp内部集成的波形发生单元，就可以在dsp的6个pwm输出引脚得到具有所需占空比的3组互补对称的pwm信号。pwm定时中断子程序流程图如图5所示。

  根据上述设计，搭建系统软硬件实验平台，对各功能子模块分别进行调试，最后进符联调。图6为pwm模块测试实验波形，上面是ipm上桥臂波形，下面是下桥臂波形，测试pwm周期150s，波形显示pwm模块输出正常，功率驱动部分性能良好。图7为电机空载运行时两相定子绕组相电流的波形，非常接近正弦波，说明控制算法能较好实现。

  本文研究了基于dsp和ipm的全数字永磁同步电机运动控制系统的软硬件设计方法，通过实验验证，本系统较好地实觋了永磁同步电机的数字化位置控制，硬件结构紧凑，动态响应和调速特性良好，能方便地运用到各种运动控制系统中。

 

 

 

进入：