基于ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的永磁同步电机控制系统研究

陈长秀　樊建海

摘 要：介绍以TMS320F240为核心器件构成的永磁同步电机的一种控制方法，内容包括永磁同步电机控制系统的硬件实现方案，以及实现转矩直接控制的软件方法。

关键词：DSP；同步电机；转矩直接控制

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：1672-3198（2009）01-0377-02お

1 主回路部分

本系统主回路采用交一直一交结构，其中逆变器部分采用电压型逆变器。主回路的结构如图二所示，即两相交流电经过不控整流及滤波后加在IPM的PN输入端。IPM选用三菱公司的PM50RVA 120(其额定电压为1200V，电流为50A )，整流器件选用三菱公司的RM30TB－H(额定母线输出电流60A，最大反向电压800V，这里仅用了模块提供的三相整流中的两相)。

2 DSP控制系统

这一部分主要包括系统采样信号的处理、DSP数字系统、电路的驱动与保护三部分。

2.1 系统的采样信号处理部分

（1）光电码盘输出信号来。

永磁同步电机转矩直接控制在电机启动的时候需要知道转子的位置以确定电机定子磁链的初始值，同时需要用光电编码盘的信号计算电机的转速实现速度闭环。系统需要对光电编码盘的UVW和AB数字信号进行处理，这5个信号经过光祸隔离后直接送入DSP芯片进行数据的处理分析。

（2）三相电流和直流母线电压模拟信号。

由于电机的中线点没有引出，所以三相电流有ia+ib+ic=0的关系，只要测量两相的电流就可以计算得到所有的定子电流，原则上系统仅需配备两个电流传感器。但考虑保护电路监测瞬时三相电流和直流母线电流的需要，系统配备了四个电流传感器。为测量定子三相线电压和直流母线电压，系统配置四个电压传感器，以供两种不同控制策略实施的综合。对电流和电压信号的处理相对光码盘输出信号来说相对复杂一些，以下是信号处理程图2。

无论电流霍尔元件還是电压霍尔元件，输出的信号都是电流型信号，必须经过采样电阻采样转换为电压信号。该信号不能直接送到DSP采样，因为DSP只能采样0－５V的电压信号，而霍尔元件输出的信号有正有负，必须经过比例调整和电平提升处理。然后还要进行硬件滤波，滤去不必要毛刺干扰信号，最终送到DSP采样。

2.2 DSP数字系统

我们选用了TI针对电机控制这个领域专门设计的TMS320F240 ，它的运算速度是20MIPS，一次AD采样时间为7.2us，它包含了三个通用定时器，每个通用定时器都具有时间段的定时功能，还具有与预定的时间进行比较并产生各种事务的功能，可以很方便的实现PWM输出，有专门用于正交编码信号处理的电路，这使得测量速度和测量电机的转子位置更为容易；包含WD定时器，用来在程序意外飞掉后进行复位：包含了12个AD转换通道，可以允许同时启动两个AD转换；有12路PWM的输出，其中6路的PWM输出是可以通过编程，很容易实现空间矢量PWM，并且考虑了死区时间；它还包含多个外部中断的端口专用电路。基于以上这么多硬件资源，它可以非常好的实现电机控制的一般要求。

数字系统的作用是根据检测得到的电机电压、电流信号和光码盘信号，通过控制算法实现对电机的控制。为了实现上述功能需要对F240进行扩展，扩展框图如下图3：

3 实时控制软件的结构

软件需要实现的功能可以分为以下几块：系统启动的初始化、检测电机转子的初始位置，转速的测量与PI控制，软件过流检测与保护以及DTC算法的实现。除此之外还要建立根据磁链、转矩开关信号和磁链分区信息选择合适电压矢量的开关表。

下面我们主要来讨论程序的总体框架，然后再对软件主要功能的实现作以简单介绍。

如图4描述控制系统软件主程序和中断程序流程图。

系统的初始化包括DSP硬件的初始化(如对定时器、PWM控制、死区控制等外部事件寄存器赋值)和软件变量的初始化(如PI参数、计算需要的中间常数等)两部分。

（1）电机初始磁链值的确定。

2500p/r，经倍频得到10000p/r的分辨率。在100r/min运行情况下，测速的最大误差为1%.这样的精度足以满足系对永磁同步电机转矩直接控制来说，启动时电机转子位置的检测非常重要，因为定子磁链的初始值要由转子初始位置来确定。在静止的情况下，增量式编码盘并不能提供转子的位置信息，所以必须采用绝对式码盘来实现。我们采用的光电编码盘刚好有UVW三个绝对式信号可以用来确定转子在1/6周(60′)的近似位置。

（2）速度测量和速度PI调节器的数字化实现。

通常采用的速度测量方法有M法、T法和M/T法。其中M/T法精度最高，本实验系统以高速为主要运行段，并且测速所用码盘分辨率高为2500线/周，所以采用M法测速，对于高低转速精确测量已足够。测速的采样周期为6ms，光电码盘的AB信号分辨率为统的需求。实际系统的测速精度也证实了这个结论。计算得到速度之后，要通过速度PI调节器获得转矩参考值。

（3）DTC控制算法的数字化实现。

DTC的控制算法主要有以下几个部分：定子相电压、相电流的坐标变换，磁链观测，滞环控制，定子磁链分区的实现和输出电压矢量的选择。在实际系统中，计算过程中的物理量大小往往相差很大，例如母线电压通常为300V，而空载的电流才不到0.5A，所以本文软件中的物理量都采用标么值，并设定DSP中的数据都采用Q12的表达格式。这样做简化了软件的编写工作，并且不必再考虑繁琐的数制转换问题。

参考文献

［1］@叶斌主编.电力电子应用技术［M］.北京：清华大学出版社.

［2］@李华主主编.Mcs——51系列单片机实用接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社.