基于TC1782的永磁同步电机直接转矩控制

谢瑞　王旭东　周凯　王硕　盛炎春

摘要：为了研究如何加快永磁同步电机对于转矩变化的响应，介绍了一种基于TC1782的永磁同步电机直接转矩控制系统。系统以英飞凌TC1782数字信号处理器为控制中心，采用模数转换芯片AD7606同时采集电机相电流，采用旋变解码芯片AD2S1210与旋变结合获得转子的位置和角度信号。使用ETAS公司的LABCAR电机仿真机柜作为硬件仿真平台，与控制部分结合构成了闭环控制系统。通过实验验证，该设计运行稳定，由于加入了反馈线性化模块，系统具有快速的动态响应特性，而且转矩脉动较小，速度和转矩调节跟随性好，可以满足永磁同步電机的控制要求。

关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；旋转变压器

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.014

中图分类号： TP273

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）01-0075-06

Abstract：In order to study how to accelerate the response of permanent magnet synchronous motor to torque variation， a direct torque control system of permanent magnet synchronous motor based on TC1782 is introduced in this paper.The control center of the system is infineon TC1782.It uses ADC chip named AD7606 to acquire the motor phase current simultaneously， and uses resolver chip named AD2S1210 and resolver to obtain the position and angle of the signal rotor. LABCAR motor simulation device， as a hardware simulation platform， combined with the control portion， constitutes a closed loop control system. Through the experiment， we know this design is stable. Because of incorporating the feedback linearization module， the system has fast dynamic response characteristics and smaller torque ripple. Speed and torque can follow the system. This design can meet the requirements of controlling permanent magnet synchronous motor.

Keywords：permanent magnet synchronous motor； direct torque control； resolver

0引言

永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）在作为伺服控制系统在工业、航天和汽车等领域得到了很广泛的应用[1-2]。为了使伺服单元更好的工作，人们不断提出各种控制方法，如矢量控制、直接转矩控制（direct torque control，DTC）、无传感器控制和智能控制。新型的智能控制算法无法在现有的控制器上稳定的运行，所以在工业控制领域应用不是十分广泛。但是这是未来的一个发展趋势。经典的矢量控制在工业上应用广泛，但是它存在着电流采样反馈时滞的问题。为了解决这一问题，人们提出了直接转矩控制的方法，使得系统得以简化，并且提高了快速响应能力[2]。传统的直接转矩控制采用转矩和磁链双滞环调节来得到相应的转矩和磁链控制信号，这种方法的缺点是稳态时转矩和磁链脉动较大[3]。所以又出现了直接转矩控制和空间电压矢量脉宽调制技术（space vector pulse width modulation，SVPWM）算法相结合的控制方法，这有效地减小了转矩和磁链的脉动。本文就是基于这一控制方法，并将转矩和磁链进行反馈线性化解耦，使转速和转矩可以准确地跟踪准确值，最终实现永磁同步电机的直接转矩控制[4-6]。

1永磁同步电机直接转矩控制系统分析

1.1永磁同步电机直接转矩控制系统框图

直接转矩控制系统框图如图1所示，该系统包括：坐标变换单元、转矩与磁链计算单元、磁链调节、转矩调节、反馈线性化控制单元和SVPWM模块等。

2.1控制核心TC1782

TC1782是32位微控制器芯片，集成了CPU、程序和数据存储器、总线仲裁、中断控制器、外设控制处理器和多种片上外设，用于满足高要求的嵌入式控制系统应用的需求，具有性价比高、实时响应速度快和计算能力强大等特性。主频高达180M，片上FLASH容量2.5M，具有DSP浮点运算的功能，丰富的IIC、SPI、定时器和CAN接口，非常适用于汽车电子电机控制和电源控制领域[7]。本设计用到了英飞凌TC1782的GPTA定时器模块，用来生成6路互补PWM信号、定时器中断[8]。用到SPI模块，用来串行读取AD7606采样的电流。用到了GPIO，并行处理旋变解码AD2S1210的并行信息，解算出位置和角度。

2.2AD7606模数转换模块

AD7606模块的原理图如图3所示。AD7606是16位可以同时8通道采集信息的ADC芯片。通过配置RANGE引脚可以选择正负10V或正负5V的输入范围[9]。我们将机柜电机相电流经过一阶滤波电路和偏置电路采样范围限制在自己配置的电压范围内，然后将处理过的信号送到AD7606中，TC1782通过串行方式读取数据，经过量化转换后得到实际结果。之后开始系统的其他运算。本设计的AD7606采用串行接口方式与TC1782进行连接，相应的连接图如图4所示。

2.3AD2S1210旋变解码模块

AD2S1210旋变解码模块如图5所示。AD2S1210用来对电机的位置和转速进行解码，它是一款10位至16位分辨率旋变数字转换器，集成片上可编程正弦波振荡器，为旋变器提供正弦波激励。TypeII伺服环路可以跟踪输入量，把输入端的信息转化成角度和速度对应的数字量[10]。

3控制系统的软件程序设计

3.1使用ASCET软件生成反馈线性化模块的程序

ASCET软件是ETAS的发动机控制功能图形化建模工具，可以将图形化的模型自动生成C代码，类似于MATLAB，从使用上来说ASCET偏向于逻辑控制，它可以设置生成代码的顺序，而MATLAB/Simulink着重于数学运算，生成的代码执行顺序有一定的不确定性，所以ASCET生成的代码比Simulink的代码效率高、更简洁易懂。所以选用前者进行代码生成功能。

ASCETV6.2.1的模型搭建软件界面如图6所示。在一个新的database中建立工程文件，并对基于直接转矩控制的反馈线性化系统模型进行搭建，系统模型中的反馈线性化模块fbl1、fbl2和fbl3如图7～9所示。

搭建完整个控制系统的仿真模型后，对其进行编译，如无错误，便可以自动生成可执行反馈线性化模块的程序。

3.2系统主体程序流程图

系统主体流程图如图10所示。

3.3定时器中断程序流程图

定时器中断服务程序流程图如图11所示。

4LABCAR硬件仿真实验

4.1实验平台的搭建

采用ETAS公司的硬件在环测试系统LABCAR来实现对基于直接转矩控制的永磁同步电机反馈线性化控制系统的仿真实验。在硬件在環仿真实验过程中，实际控制器先对虚拟电机发出控制指令，HIL机柜中的FPGA板卡接收到虚拟电机运行时的数据，产生传感器信号回馈给实际控制器，再通过软件把数据读取出来，并分析实验波形，解决真正的实验平台搭建前可能出现的问题。硬件在环实验平台如图12所示。

这里HIL机柜采用的FPGA板卡为ES5340电动仿真板卡（包含电机和逆变器模型），它可以测量ECU驱动的IGBT门极信号，使它的传感器产生转速、位置和电流等相关信号。它还可以对永磁同步电机进行模拟，模型还细致的考虑到了电机参数饱和和温度效应等因素，而且电机参数可以实时在线修改，易于实现精确计算。

4.2直接转矩控制系统的验证

硬件在环实验平台搭建完毕后，在TASKING软件中，将ASCET软件生成的控制算法C语言代码和DAVE软件生成的外设配置C语言代码结合在一起，并进行编译，编译成功后烧入控制芯片TC1782中，然后将模数转换器AD7606、旋变解码芯片AD2S1210与TC1782和HIL机柜正确连接，运用 LABCAR OPERATOR软件对系统进行硬件在环仿真实验。该软件通过用户界面对LABCAR的硬件进行配置，并控制电机启停，生成可以执行的测试代码。图13为LABCAR OPERATOR的实验环境界面。

基于硬件在环测试系统LABCAR仿真平台，电机负载给定为40N·m，给定转速为1500r/min时的转矩、转速和相电流响应波形如图14～16所示。

从仿真波形图中可以看出，基于直接转矩控制的永磁同步电机宽调速范围反馈线性化控制系统输出的转矩和转速波形比较平稳，脉动比较小，输出相电流波形较接近正弦波，验证了本文设计控制方法的可行性。

图17基于直接转矩控制的永磁同步电机控制系统的输出转矩波形图，图18为相应的转速变化波形图。在t=30s时刻，给定转速为1500r/min，负载转矩由18N·m降至10N·m。由图可见，当负载突变时，反馈转速和给定速度之间的误差变大，经过速度调节器后将误差送给转矩，转矩调节器进行调节后送入后面的环节，最终使得系统重新恢复到稳态。本文设计的控制系统受电动机转子参数影响较小，动态响应好，可获得快速的转矩相应，控制算法和系统结构简单，而且转矩脉动更小。

5结语

本文通过硬件在环测试系统LABCAR搭建了基于直接转矩控制的永磁同步电机宽调速范围反馈线性化控制系统的仿真平台，并对该系统进行了硬件在环仿真测试。通过实验波形可知，本设计的永磁同步电机直接转矩控控制系统具有快速的动态响应特性，而且转矩脉动较小。

参 考 文 献：

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（编辑：温泽宇）