基于DSP的交流永磁同步电机控制系统设计

摘 要：随着电力电子技术、微电子技术、电机制造技术、现代控制理论和计算机技术的发展，交流永磁同步电机交流矢量控制系统以其控制精度高、可靠性强等优点得到了广泛的应用。由于受电机参数变化、负载扰动等因素的影响，要获得高性能的永磁同步电机矢量控制系统，必须设计高精度和高可靠的伺服控制器，使系统具有较强的适应性和较强的抗干扰能力。因而，文章研究基于DSP的交流永磁同步电机矢量控制系统。

关键词：永磁同步电机；伺服控制器；DSP；矢量控制

引言

随着永磁同步电动机的广泛应用，以永磁同步电动机作为被控对象的控制系统研究得到了越来越多的关注，并己成为了当前的热点课题。文章从三相交流永磁同步电机的结构出发，分析其工作原理，建立起简单的数学模型。控制系统采用TI公司的DSP芯片作为系统控制器和PI作为控制算法，进行相应的硬件系统和软件系统设计。

1 矢量控制的基本原理

经典的SPWM控制主要目的是使逆变器输出电压尽量接近正弦波。也就是说，希望输出的PWM电压波形的基波成分尽量大，谐波成分尽量小。由于电流波形还会受负载参数的影响，而且交流电机需要输出三相正弦电流的最终目的是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。因此，可以将逆变器和电机视为整体，按照跟踪圆形旋转磁场的方法来控制PWM信号，这样的控制方法叫做“磁链跟踪控制”。由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以称之为“电压空间矢量控制”。

2 系统硬件设计

系统硬件包括以下几个部分：DSP控制模块，IPM模块，系统的主电源与开关电源模块，位置与速度传感器信号处理模块，电流采样与处理模块，主电路保护模块，故障信号处理模块等。硬件整体结构如图1所示：

由图1可知，控制部分采用了TI公司生产的TMS320F2407DSP作为处理器。该处理器主要负责执行系统整体控制策略，处理输入输出信号及产生PWM信号，此外也负责实现RS232、CAN总线及JTA6等接口的通信功能。IPM是系统的主电力驱动模块，内部不仅集成了高性能IGBT开关器件及其驱动电路，还具有过流、短路、过热及欠压等故障信号的输出，是完成电机变频控制逆变环节的电力电子器件；电源部分为系统的各个模块进行供电。系统大体分为控制模块、驱动模块、人机交互模块三个部分。

3 系统软件设计

在硬件基础上根据交流永磁同步电机控制系统需要实现的各项功能进行软件设计，是本控制系统中很重要的一部分。只有把硬件和软件紧密配合、协调一致，才能构成高性能的应用系统。整体程序分为主程序和中断服务子程序两大部分。主程序主要作用是完成系统初始化和相关参数变量的赋值，然后进入循环等待状态，当中断信号到来时响应并执行相应的中断服务子程序。

中斷服务子程序包括PWM中断服务子程序和外部中断保护子程序。整个矢量控制系统的主要控制思想：电流检测反馈、速度和位置采集、速度和电流的PI调节、矢量变换以及SVPWM等功能都在PWM中断服务子程序中完成。此中断模式以一定周期循环执行。PWM频率的选择要与电机的机电常数相适应，文章选择的PWM频率为10KHz即采样周期T为100us。系统软件的中断服务子程序流程框图如图2所示。

4 结束语

文章研究并设计了基于DSP的交流永磁同步电机控制系统，并收到了较好的控制效果。交流永磁同步电机控制是一个复杂的课题，由于学识水平、时间等各方面的限制，与系统特定功能的实现还有一段距离，有待于在将来的科研实践中进行进一步的研究，在后续研究中可以采用譬如模糊控制等更为先进的控制算法，可以对硬件选型进行优化，并优化软件编程。

参考文献

[1]李一凡.基于DSP的永磁同步电动机控制系统研究[D].哈尔滨工程大学，2007.

[2]符曦.高磁场永磁式电动机及其驱动系统[M].北京：机械工业出版社，1997：60-83.

[3]吴志友.基于DSP的交流电机矢量控制系统的研究[D].大连交通大学，2007.

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统与运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5]冯继营，李向超，李家武.基于SVPWM的永磁同步电机矢量控制系统设计[J].电子元器件应用，2010，09（10）：50-53.

作者简介：刘宇卓（1991-），男，民族（汉族），籍贯：吉林省四平市，工作单位：中南大学，职务：学生，学位：本科，研究方向：信号与信息处理、工业过程控制。