单DSP控制器的双磁场定向永磁同步电机驱动..doc

基于单DSP的双重磁场定向控制的永磁同步电机驱动器 Arefeen Mohammed IEEE Senior Member Kedar Godbole Mongkol Konghirun IEEE Member 摘要：传统的高性能驱动器利用专用的控制器完成复杂的数学运算。然而，有一些因素快速的改变了这一情况。目前的DSP控制器与一系列精密的外围设备集成在一起，以DSP为核心与一套有效的电力电子外围设备的集成，显著地简化了驱动器设计，并且允许设计者使用独立的DSP控制器实现高性能驱动器。本文介绍了基于单DSP控制器的双重永磁同步电机驱动器的实现。该驱动器利用磁场定向控制实现更高的性能。DSP控制器利用片上电力电子外围设备实现独立控制每个驱动器而不增加任何多余的芯片组成，以此来实现简化系统及降低成本。本文还介绍了实现双重永磁同步电机驱动器所有需要利用的硬件和软件模块。 引言 磁场定向永磁同步电机驱动器的性能优势众所周知。传统的控制器提供足够的带宽，也提供用来实现独立高性能驱动器的片上外设。然而，有一些因素快速的改变了这一情况。目前，先进的DSP控制器集成了各种各样的精密电力电子外围设备(如通用定时器，PWM发生器，模拟到数字转换器等等)。以DSP为核心同一套有用的外围设备的集成，不仅简化设计过程，而且提供了集成每个外设的功能在驱动器中的能力。此外，这些DSP控制器计算带宽和电力电子外围设备集成电路，只需一个控制器来控制多路驱动。本文讨论了基于单DSP控制器的双磁场定向控制永磁同步电机驱动器的实现方式。这些控制器使用最低限度外部硬件来实现变速驱动器从而在降低整体系统成本同时提高可靠性，实现双三相永磁同步电机磁场定向控制。本文介绍了该系统软件和硬件的实现以及完整实验结果分析。 系统说明 尽管有许多种多电机系统的实现方式，本文的目标是介绍使用单DSP控制器实现多路高性能驱动器的控制。完整系统结构图如图1所示。每个三相永磁同步电动机连接一个三相电压源脉宽调制（PWM）逆变器。一个DSP控制器(TMS320F2808)用来控制两个独立驱动器的逆变器。片上模数转换器被用来对电机相电流和逆变器直流母线电压测量。通过DSP控制器上可用的编码器接口模块获得编码器反馈信号。DSP控制器的片上电力电子外围设备使附加接口较少，简化了整体系统设计。 电机使用传统的磁场定向算法实现独立控制。控制算法通过C语言写在DSP的片内存储器里。图2是一个电机的完整软件结构图。通过图2可知 “软件模块”是怎样与被测系统变量比如相位、电流、直流母线电压、编码器反馈等相连接的。双重驱动器系统为第二个电机执行一个同样的如图2所示的软件系统。 图1 双重驱动器系统结构图 图2 一个电机的磁场定向控制整体结构图 DSP控制器 一个定点32位DSP控制器被用来实现双重驱动系统。被选用的DSP控制器TMS320F2808具有100 MIPS的运算速度，是32位定点DSP核心。该设备提供64K字长的内部Flash存储器，18K字长的片上RAM。它还集成了以下电力电子外围设备：来自具有多个16位多模式时钟周期的PWM模块的16位PWM输出，16路12位精度的具有实时采样和保持能力的ADC，四路捕获引脚，两路正交编码脉冲(QEP)接口，SCI，SPI， CAN， I2C，看门狗等。图3展示了TMS320F2808 控制器的结构框图。该双重驱动系统用了12路PWM输出，6路模拟到数字输入通道，二路QEP端口，以及为系统调试和仿真用的JTAG端口。该控制器是一个双重供电设备，需要为DSP核心提供1.8V电压，为I/O缓冲器提供3.3V电压。该设备有多种封装，但是这个应用中使用了一个具有DSP开发工具包的100引脚的TQFP封装。 图3 TMS320F2808结构图 硬件装配 该逆变器利用六个PWM输出来产生必须的PWM信号给一个三相电压源逆变器。电压输出使用一个标准空间矢量法产生PWM波。PWM通道的逆变器工作在20kHz频率，PWM模块的比较值在每一个PWM周期更新。三个板块的组合形成了完整的系统。一个DSP开发板(TMS320F2808eZDSP)用作为主控制器平台。该DSP开发板有两个独立的三相逆变器接口。这些逆变器板(DMC550)可用作系统开发平台，提供所有系统开发必须的调试特性。图4展示了DMC550平台，该平台提供下列功能：具有2.5Amp驱动能力的+24V DC总线，3个霍尔效应传感器输入，3个相电压和电流传感输入，一个总线电压传感输入和若干电流故障判别。两块DMC550 电路板平行地和一个DSP电路板连接，以此来得到双重驱动系统。永磁电机取自Applied Motion (part #A0100-103-3-000)。这是一个三相永磁