DSP电机控制综合实验平台研制

卢慧芬，林 斌，孙 丹，潘再平

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)

数字信号处理器(DSP)具有灵活、抗干扰能力强、运行速度快、易于升级、扩展性强、外设丰富等优点。随着微处理器的不断发展和DSP性价比的不断提高，DSP已广泛应用于通信、家用电器、航天设备、工业测量、工业控制、生物医学工程及军事领域[1-2]。

掌握必要的DSP知识是电气工程专业人才培养的需要。为满足专业教学需求，我校为电气工程及自动化专业开设了DSP相关课程，包括微机原理与应用、电气装备课程设计、DSP在机电控制中的应用等课程。作为应用性极强的课程，除了介绍DSP的基础知识，还要求学生将理论知识运用到实践中，故完整可靠的DSP实验平台必不可少。

经过市场调研发现，目前销售的DSP实验平台存在模块组合种类不足、硬件资源匮乏、功能较为单一等缺点，无法满足DSP实验教学的需求，为此我们自主开发了DSP电机控制综合实验平台。在经过多次的讨论修改之后，研制的DSP电机控制综合实验平台已批量生产。鉴于DSP在电机控制[3-4]中的重要作用，制定了相关实验内容[5]，包括控制直流电机、永磁无刷电机、三相永磁同步电机调速实验等3个综合实验已成功用于实际教学中，在学生中获得良好反响。该平台在满足课程要求外，还为本科生毕业设计、大学生科研项目计划(SRTP)、各类学科竞赛及科研提供了服务。

1 DSP电机控制综合实验平台

我们开发的DSP电机控制综合实验平台以模块化、实用性、安全性、高可靠性为指导思想，经多次讨论修改，最终实验平台实物图见图1。该实验平台由箱内供电电源、箱体上DSP电机控制核心板、DSP仿真器、各功率模块实验板和有关控制对象等组成。该实验平台的总体框架见图2，其由DSP电机控制核心板、直流电机调速模块、无刷直流电机调速模块、三相交流永磁同步电机(以下简称永磁同步电机)调速模块4部分组成，涉及到3种常见电机的调速，能完全满足学生掌握DSP在电机控制系统中的应用以及工程实际的需求。

图1 DSP电机控制综合实验平台实物图

图2 DSP电机控制综合实验平台总体框架图

1.1 DSP电机控制核心板

TMS320C28x系列是TI公司最新推出的数字信号处理器，是目前市场上最先进、功能最强大的32位定点数字信号处理器之一，它既有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大量数据处理的场合，如工业自动化控制、电机伺服控制系统等[1]。为了能够实现电机控制中大部分先进算法，给学生拓展与创新提供更多条件，本实验平台中的DSP电机控制核心板的主控制芯片采用TI公司生产的TMS320F2812芯片。

主实验电路板充分利用了TMS320F2812芯片资源，它提供了丰富的DSP外围电路，硬件采用模块化设计，结构简单，各模块之间可灵活组合，操作方便、直观，用途广泛。核心板的主框图如图3所示，主要由电源、数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出、PWM输出、复位电路、JTAG接口、保护电路、速度位置信号输入等部分组成。为方便学生实验操作，在主控制板上加入了键盘输入、数字显示等部分。由于本实验平台的实验目的是让学生熟悉掌握DSP的原理与应用，我们在该实验平台设置了信号输入调理电路，并与DSP的模拟信号输入引脚相连。学生实验时，只要通过互感器将信号连接到装置上，就可以对电流、电压信号同时进行处理，省去了设计调理电路的时间，让学生用更多的精力放在熟悉DSP的应用上[6]。该电机控制核心板主要完成了信号调理和主控功能。该控制核心板可以作为电机通用开发平台,可以控制种类较多的电机，这为学生实现自己的创新想法提供了可能。

图3 DSP电机控制核心板的主框图

1.2 直流电机驱动模块

直流电机易于调速，且具有良好的机械特性，能在大范围内平滑调速、启动、制动和正反转等，目前在传动领域中占有重要的地位[3]。本直流电机调速实验采用额定电压为5V、额定转速为5000r/min，额定电流为30mA的直流电机。考虑到直流电机常工作在正反转的场合，需要使用可逆PWM系统，故应用H型双极性驱动电路[7]，如图4所示。根据运行控制要求和电机实际反馈情况，改变DSP输出PWM信号的占空比，从而改变施加于电机端部的电压，实现电机转速和转向的控制。

图4 H型双极性驱动电路

1.3 无刷直流电机驱动模块

无刷直流电机(BLDCM)是近年来发展起来的融合多学科技术的一种新型电机，是典型的机电一体化产品，具备有刷直流电机效率高、起动和调速性能好的优点；由于取消了电刷和换向器，又具有寿命长、可靠性高、噪音低等优点。目前BLDCM广泛应用于航空航天、军事、医疗器械、仪器仪表、过程控制、机车工业、纺织工业以及家用电器等领域[8-10]。为此有必要通过实验加深学生对BLDCM的理解。本无刷直流电机调速实验模块，采用额定电压为24V、额定转速为6000r/min、额定电流为0.6A的无刷直流电机，其实验原理图如图5所示。根据霍尔信号传感器获取的BLDCM转子位置和电流传感器得到的电流信号，给出6路带有可控占空比的PWM控制指令，利用IPM集成模块直接驱动电机，实现调速。此外，电路板上带有过压保护、故障检测、过流检测、转速保护等保护电路，有效地保障了电路的安全，能避免因学生实验误操作造成电路损坏。

1.4 永磁同步电机驱动模块

永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻以及具有较高的效率和功率因数等优点，已广泛应用于工业机器人、数控机床、柔性制造系统的各种自动化设备等领域[11]。本永磁同步电机调速实验模块采用额定功率为200W、额定转速为3000r/min的永磁同步电机，其实验原理图见图6。利用DSP内部资源采集电机的反馈量，包括定子相电流、转子位置和转速，以此为依据产生可控制的脉冲驱动三相桥式逆变器，进而控制逆变器的输出电压，改变该永磁同步电机的电磁转矩，实现该电机的全数字变频调速。

图5 无刷直流电机控制原理图

图6 永磁同步电机实验原理图

2 实验项目

DSP电机控制综合实验平台可实现直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机等调速实验。3种电机系统所对应的控制算法与驱动电路均有所不同，控制算法由共同的DSP控制核心板实现。核心板采用TMS320F2812芯片，集成了PWM控制信号发生模块，通过调整事件管理器的定时器来控制寄存器设定PWM工作方式和频率，调整比较值及调节PWM的占空比，调整死区控制寄存器、设定死区时间，输出占空比可调的带有死区PWM控制信号，利用功率驱动模块实现对电机的控制。

2.1 直流电机调速实验

直流电机调速实验是3个电机综合实验中最简单的实验，但对于学生理解电机最基本的控制原理有极大帮助。因此该实验要求学生提前复习直流电机、电力电子技术、电机控制等相关知识。在实验过程中分组讨论，每一个小组需完成单路PWM开环程序和双路PWM开环程序，分析两种开环程序的相同与不同、优点和缺点；通过操作面板上的按键进行开环调速，让学生明白调节PWM占空比实现电机调速的原理，同时利用红外传感器测定电机转速方向;在以上基础上最终完成PID算法闭环程序，包括转速闭环和电流闭环。

本次实验的主要目的是使学生了解DSP和MCU组成的双CPU全数字电机控制系统的硬件结构，熟悉数字PID调节器的原理，理解直流电机双闭环调速系统的工作原理，通过与实际应用相结合，帮助学生加强对理论知识的认识，增强动手能力。

2.2 无刷直流电机调速实验

无刷直流电机调速实验与直流电机调速实验使用同一块DSP电机控制核心板，但其驱动模块不同，而且无刷直流电机及其调速系统的工作原理相对直流电机要复杂许多。故本实验分多个课时段，首先课程教学对无刷直流电机的工作原理和控制原理进行介绍，让学生了解霍尔信号传感器获取转子位置的原理，在不同转子位置施加不同电压矢量实现电机转向控制的原理等，以期学生在实验过程中保持思路清晰，忙而不乱。在实验教学中，让学生先通过示波器观察不同转子位置的霍尔信号，了解霍尔信号对获取实际转子位置的作用;然后利用霍尔信号编写相对应的开关指令，使电机能根据要求运动;在电机正常运转之后，与直流电机调速实验相似，调节PWM占空比，改变电机转速;最后同样要求学生进行无刷直流电机的速度闭环PID控制。

本次实验的目的在于使学生了解以DSP为核心构成的数字控制无刷直流电机调速实验系统的硬件与软件结构，了解数字PID调节器的原理，掌握无刷直流电机的工作原理以及理解无刷直流电机调速系统的工作原理。

2.3 永磁同步电机调速实验

在经过上述2次实验之后，学生对DSP电机调速已有了一定程度的理解，但还需要更完整的电机运动控制实验，以培养学生系统考虑问题和解决问题的能力。故开设永磁同步电机调速实验。该实验为三相交流永磁同步电机磁场定向控制(FOC)，可从TI公司网站下载，其中包含实验主程序和算法所需的各种模块，如PARK变换、PID程序、QEP测速模块等。各个模块是以函数的形式出现在主程序中，具体的程序编写在各自的子程序中，因此永磁同步电机实验的程序是一个具有极强系统性和综合性的程序。为了帮助学生理解，对程序关键部分进行了详细注释，希望学生养成模块化、结构化、系统化的思考方式。学生实验时，要求首先完成DSP生成PWM波形，对永磁同步电机实现开环控制；然后进行电流环采集电流和电流环闭环控制；最后加入速度环，进行速度环转速采集和闭环控制实验。从内环开始调试，培养学生把握重点，逐步解决问题的能力。

本次实验的目的是使学生了解永磁同步电机的结构和工作原理及DSP为核心构成的全数字控制交流伺服系统的硬件与软件组成，并且掌握永磁同步电机磁场定向控制(FOC)的工作原理和永磁同步电机电流环和速度环PID参数设计原理。

3 永磁同步电机矢量控制实验的实现

矢量控制是现代先进的电机控制技术之一，其基本思想是通过坐标变换，将三相定子电流分解为与转子磁通同方向的等效励磁电流及转子磁通方向垂直的等效转矩电流。由于励磁电流和转矩电流相互正交，无耦合，并且在同步速转子旋转坐标系中是一组直流标量，能够像直流电机那样实现对磁场和转矩的分别控制，获得良好的调速特性[3]。本节以永磁同步电机矢量控制的实现为例，验证DSP电机控制平台以及实验设计的可行性。

3.1 永磁同步电机矢量控制策略

根据用途的不同，永磁同步电机矢量控制方法主要有转子坐标系中d轴电流id=0控制、最大转矩/电流控制、cosφ=1即单位功率因数控制、弱磁控制、恒磁链控制及最大输出功率控制等[12]。其中，id=0的永磁同步电机矢量控制系统基本框图如图7所示。

图7 id=0永磁同步电机矢量控制框图

3.2 永磁同步电机矢量控制系统软件设计

矢量控制系统的软件分为主程序和2个中断服务子程序(INT2和INT3)，各程序的流程图如图8所示。主程序主要进行系统的初始化，包括变量、系统时钟和定时器的初始化，并使能中断，等待中断产生。

图8 程序流程图

矢量控制算法在INT2中断服务子程序中进行，中断由定时器直接产生。INT3中断完成编码器对速度信号的采集。

3.3 实验研究

实验用永磁同步电机参数：额定功率200W，额定转速为3000r/min，额定线电压为119.8V，额定线电流为1.265A，定子电阻为15.42Ω，极对数为4。利用本文设计的平台对该永磁同步电机进行空载实验，设置给定转速为600r/min。

图9为永磁同步电机到达指定转速600r/min的波形。图9中ωr为电机转速、θe为电机转子位置的电角度、TA为A相调制比，Ia为定子A相电流、id为励磁电流、iq为转矩电流。

从电机转速ωr的波形可知，永磁同步电机稳定加速至给定转速600r/min，之后平稳运行。A相调制比表现为一马鞍波，证明采用的调制技术为空间电压矢量调制策略SVPWM。

从电流波形可知，在电机刚启动时有一较大的启动电流。在电机达到给定转速之后，电流幅值逐渐降至为零，但存在较小脉动。

图9 实验结果波形

4 总结

我们开发的DSP电机控制综合实验平台具有以下特点：

(1) 采用模块组合结构：实现了DSP核心板和直流电机、无刷直流电机、三相交流永磁同步电机及其功率控制电路模块可标准插拔，便于实验拓展和设备的维护；

(2) 硬件资源丰富：将所有的硬件资源都集中在一个实验平台上，包括DSP核心芯片、A/D预处理电路、功率驱动模块等，可实现多种功能，并能有效减少实验平台体积；

(3) 控制对象丰富：被控对象有直流电机、无刷直流电机、三相交流永磁同步电机，完全能满足学生的实验需求，还可根据情况增加异步电机等电机类型进行实验教学；

(4) 控制程序开放：作为实验平台，充分考虑了电机控制程序的核心算法的开放和与提供的系统程序的无缝连接，为学生实现不同的控制算法提供可能，有利于激发学生的学习兴趣，增强学生的创造力；

(5) 兼容应用与开发：该平台除了基本的3种不同电机调速控制之外，还可植入不同的控制算法，以深刻理解不同电机工作原理和控制方法。

本DSP电机控制创新平台和综合实验为学生熟悉并掌握DSP应用和相关电机控制技术提供了便利，取得了较好的教学效果。

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