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基于DSP的双余度永磁无刷直流电动机控制系统

基于DSP的双余度永磁无刷直流电动机控制系统

2006/7/20 9:22:00
[摘 要]:研究了基于一片DSP(TMS320F240)控制的双余度永磁无刷直流电动机驱动控制系统,详细介绍了系统DSP控制器的硬件电路设计,实现对电动机的位置、速度和电流的检测,给出了系统软件设计方案及控制策略,从而实现对整个系统的控制。实验结果表明,由一片DSP构成的控制器控制双余度电动机系统,硬件电路结构简单,同时系统实时性好,响应快,3种工作模式之间切换方便,具有良好的控制性能及动态特性。 1 引言 稀土永磁无刷直流电动机由于具有结构简单、转动惯量小、功率密度高、无接触换向电火花及无电磁干扰、运行可靠、调速性能好等优点,在许多场合得到了广泛的应用。由其组成的伺服系统在数控机床机器人、冶金、纺织、医疗器械、化工、军事雷达、火炮、航天等领域具有广阔的应用前景。 近年,DSP控制器在其控制电路中的应用使得稀土永磁无刷直流电动机驱动控制系统的综合性能大为提高,其强大的数据实时处理能力使得现代控制理论、模糊控制理论等复杂算法数字化得以快速实现,且其面向电动机控制的外设,又使得控制系统硬件结构得到进一步简化,整个系统的性能得到显著提高。在许多系统可靠性要求很高的应用场合,采用余度结构是提高系统可靠性的有效方法之一,这就需要控制多台无刷直流电动机,或者控制一台多余度的无刷直流电动机。 美国TI公司TMS320F240集DSP的信号高速处理能力及适用于电动机控制的外围电路于一体,为高性能传动控制提供了可靠高效的信号处理与控制硬件。本文充分利用该芯片的各种功能,设计了一套基于TMS320F240的双余度永磁无刷直流电动机控制系统,有效地解决了一片DSP芯片控制双余度电动机的问题,测试结果表明,该系统具有良好的控制性能及动态特性。 2 DSP TMS320F240的主要功能结构 TMS320F24X序列是可以为高性能传动控制提供先进、可靠、高效的信号处理与控制的硬件。F24X集高速运算与面向电动机的高效控制能力于一体,可以用软件取代模拟器件,方便地修改控制策略,修改控制参数,兼具故障检测、自诊断和上位机管理与通信等功能。F240包含双10位模数转换器、同步串行外设接口SPI,异步串行通信接口SCI,PWM控制的管理器,其PWM波形生成单元包含可编程死区控制,可输出非对称PWM波形、对称PWM波形和空间矢量SVP-WM波形;TMS320F240也提供通过外围接口进行操作的输入输出端口;F240使用了一个外围设备总线以支持对大量外设的可选性,外围设备总线用数据总线寻址,并通过一个特殊的模块与数据总线连接,可以对所有的外围设备寄存器进行操作。本系统中DSP的资源和外设的使用情况如图1所示。
在本系统中共需2路斩波器的PWM信号,利用TMS320F240的一个定时器1和2个全比较单元SCMPl和SCMP2来产生2路占空比可调的PWM波,频率为20kHz。通过改变PWM波的占空比,控制斩波输出电压,实现电动机调速控制。定时器T3用于设定A/D采样周期。 正交编码脉冲输入单元QEP,可以检测转子位置的光电编码器输出相位差为90°的A,B两路脉冲信号,整形后送入TMS320F240的正交编码脉冲输入单元(QEP)的QEP1,QEP2引脚,经译码逻辑单元产生脉冲信号CLK和转向信号DIR,将CLK作为定时器T2的时钟输入,由T2对CLK进行计数,即可产生60。换向脉冲信号的中断。 捕获单元将RDC芯片输出的电动机零位信号NM,引入捕获单元CAP1的输入引脚,NM信号引起捕获中断,由程序对计数器重新设置,这样可以消除累计误差。 串行通讯外部设备接口SPI,用于读取RDC输出的串行绝对位置信号,判断电动机轴的初始位置,并完成电动机的起动。 异步串行通讯接口SCI,用于与PC机串口等标准器件通信,可采用RS-232/485协议等。最大波特率625kb/s。 ADC模块对2套功率电路的直流母线电流Il,I2和速度信号Vn进行A/D转换。 3 系统硬件设计 基于DSP控制器TMS320F240的双余度无刷直流电动机驱动控制系统的硬件结构图如图2所示,主要包括电动机本体、无刷旋转变压器、功率驱动电路、三相IPM逆变电路、RDC转换电路、保护电路以及监控电路、通讯接口电路等。该系统采用事件管理器产生2路高精度PWM波,分别控制给A,B两电机绕组供电的斩波电路;DSP控制器输出的有关功率管换向的数据经逻辑转换为2路换向触发信号,经驱动电路分别驱动A,B2套三相IPM逆变器,实现对双余度无刷直流电动机的控制。电动机转速给定由SCI通讯口输入实现,根据给定的转速,系统启动相应的事件管理器产生一定的PWM波输出,通过调整PWM波的占空比,从而控制斩波电路的IGBT功率管开通与关断,进行电压调节,实现对无刷直流电动机转速和转矩的控制。
3.1 功率电路及其驱动电路 无刷直流电机为三相6状态工作方式,该系统采用DC-AC三相全桥式逆变电路,功率电路由换向逻辑控制和PWM电路,扩展I/O接口电路,IPM驱动控制保护电路,IPM模块组成。IPM是先进的混合集成功率器件,由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成。该系统采用DC-AC三相全桥式逆变电路,其中主功率开关器件采用东芝公司IPM模块PM75RSA060,主功率电路上电,关机或保护时采用软件程序控制。利用高速光耦TLP550实现DSP的PWM输出信号对功率开关的隔离驱动。 3.2 母线电流检测电路 驱动控制系统实时检测2套功率电路的母线电流,利用霍尔电流传感器和多级运放电路,将小电流信号转换为在0~5 V之间变化的模拟电压信号,再通过一片OP07高精度隔离放大器实现DSP的ADC输入与采样电路隔离后,将其输入DSP的A/D转换单元,转换为数字的电流信号。在新的PWM波产生前载入电流检测值,与给定的参考电流值一起来控制PWM波宽度,产生新的PWM波。 3.3 转子位置与速度检测 双余度无刷直流电动机采用无刷旋转变压器和RDC转换电路检测转子位置和转速。正弦波发生器采用Intersil公司的ICL8038芯片,它可以生成方波、三角波和正弦波。本系统只用到正弦波输出功能,输出幅值为5 V,频率为10 kHz的正弦波,给无刷旋转变压器供电。RDC采用美国Analog Device公司的旋转变压器二数字转换器AD2S90,AD2S90接收从旋转变压器来的信号(SIN,COS,REF),将模拟角度位置信号转换为数字型轴角信息,可由单片机或数字信号处理器直接渎取采用。RDC输出相位差为90。的A,B两路脉冲信号,整形后送入TMS320F240的正交编码脉冲输入单元(QEP)的QEP1,QEP2引脚,经译码逻辑单元产生脉冲信号CLK和转向信号DIR,将CLK作为定时器T2的时钟输入,由T2对CLK进行计数,即可产生60。换向脉冲信号的中断,实现电动机换相。 TMS320F240计数器T2对AD2S90提供的增量式脉冲进行计数,计数到时产生周期中断,通过定时器记录时间间隔,计算电动机转速;也可以采用。AD2S90输出的Vn速度电压信号,输入到DSP的ADC模块,进行A/D变换得到电动机转速。第一种方法不但能达到很高的精度,而且可同时实现定子换相,故本系统采用第一种方法计算转速作为速度反馈。 3.4 工作模式切换与保护电路 在双余度无刷直流电动机控制系统中,保护电路的正常工作至关重要,为了保证系统中功率转换电路和电动机驱动电路安全可靠地工作,利用F240提供的PDPINT中断保护输入信号,方便地实现了过流、过压、欠压、IPM故障等。 当系统在单余度运行模式时,如果该电机出现故障,PDPINT中断程序自动切断该电机绕组的PWM波输出,同时启动另一电机绕组的PWM波的输出;在两电机的绕组同时运行工作模式时,即双余度工作模式,哪一电机绕组故障就切断哪一电机绕组的PWM波的输出,而另一电机绕组工作不受影响。这样既实现了对系统的保护,又不影响系统的正常运行。 4 系统控制策略 该系统采用数字式双闭环控制,其控制原理框图如图3所示。外环为速度环,采用积分分离的PI控制算法。内环为电流环,采用PID增量式控制算法。由给定的速度vg与实测的速度vf(k)相比较求得速度误差E(k)。E(k)经过带积分分离的PI运算得到新的电流参考值,经过电流限幅后送人电流环,作为2台电机绕组的电流参考值。电流参考值和电流反馈值相比较得到电流环输入误差e(k),该误差信号经过PID运算,经限幅输出得到新的PWM波,并由功率驱动电路控制IGBT晶体管的开关,进而控制无刷直流电动机的转矩和转速。
4.1 转还调节
速度环调整的积分分离PI算法子程序流程图如图4所示。
4.1电流调节 电流的高速过程是新的PWN信号产生过程,通过调节PWM波的宽度可以调整电流的平均值,而PWN波宽度的高速则是通过调整DSP事件管理器比较寄存器的比较值COMP实现的。电流环的输出为比较值COMP,COMP越大,PWM波占空比也就越大,其PID增量式控制算法为
电流环调整的PID算法子程序流程图如图5所示。
5 试验结果 对由TMS320F240 DSP芯片构成的双余度无刷直流电动机控制系统进行了试验,试验对象为两台2.5 kW的永磁无刷直流电动机,其额定转矩为5 N•m,额定转速5000 r/min,额定电压DC 110 V,4对极。 在试验中采用了上述的双环控制策略,由键盘输入转速给定值,在给定转速为2000 r/min,负载转矩为2 N•m时,测得双
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