本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

電動(dòng)機(jī)可將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，廣泛的應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域中。電機(jī)傳動(dòng)控制中電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與調(diào)速控制占據(jù)著重要地位。電機(jī)正在驅(qū)動(dòng)不同類型設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，包括重工業(yè)機(jī)械設(shè)備如鋼鐵行業(yè)、造紙行業(yè)中的軋鋼機(jī)，還有微電子行業(yè)與半導(dǎo)體行業(yè)中的精密儀器、數(shù)控機(jī)床等。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)調(diào)查，我國各類電機(jī)中有80%以上為小型的異步電機(jī)，且由于設(shè)備陳舊，控制技術(shù)落后等原因，導(dǎo)致浪費(fèi)的電能非常之多。故需要使用先進(jìn)高效的電機(jī)裝置與驅(qū)動(dòng)、調(diào)速控制方法來提高電動(dòng)機(jī)效率，可節(jié)約電能與原材料，更加高效環(huán)保，對(duì)我國的可持續(xù)發(fā)展有重大意義。

異步電機(jī)與永磁電機(jī)基本的區(qū)別是性能和成本。目前異步電機(jī)的使用相對(duì)永磁電機(jī)來說更加廣泛。因?yàn)楫惒诫姍C(jī)的使用環(huán)境通常對(duì)于未知調(diào)整與調(diào)速?zèng)]有精確的要求。典型的如眾所周知的通用電機(jī)。但是隨著生產(chǎn)要求的日漸提高，尤其是半導(dǎo)體以及其它精密產(chǎn)品生產(chǎn)的需求，永磁電機(jī)因其更小巧的體積、更高的效率性能及可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為一種應(yīng)用趨勢(shì)。

由于微處理器MCU技術(shù)和電力電子相關(guān)技術(shù)的更新?lián)Q代，脈沖寬度調(diào)制（PWM）逆變器被廣泛地應(yīng)用于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中。在脈沖寬度調(diào)制控制策略中，SVPWM不同于傳統(tǒng)技術(shù)，它在算法和實(shí)現(xiàn)方式上做了特殊的優(yōu)化，可以很大程度排除逆變器的輸出波形中的諧波成分，并且減少電機(jī)的能耗損失。因?yàn)樵跀?shù)字信號(hào)系統(tǒng)中便捷的實(shí)現(xiàn)方式，目前它已很好的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SPWM技術(shù)。另一方面，為保證SVPWM控制策略的性能，單片的運(yùn)行速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足，隨著人們對(duì)于高性能的數(shù)字處理芯片的需求，DSP的發(fā)展也得到了推進(jìn)，DSP有著強(qiáng)大的運(yùn)算性能，以及芯片內(nèi)部集成功能的完整性。

DSP是一個(gè)集成在一個(gè)單芯片DSP電機(jī)控制電路的核心，大大降低了硬件成本和尺寸，使用方便。DSP相比于傳統(tǒng)單片機(jī)，其運(yùn)算速度和處理性能是后者的數(shù)十倍，也就意味著可以在DSP中實(shí)現(xiàn)更加高級(jí)復(fù)雜的算法來實(shí)現(xiàn)控制，包括神經(jīng)元控制、卡爾曼濾波、自適應(yīng)控制、模糊控制等，很大程度上提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度以及控制的精確度。DSP搭載的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有極其廣泛的使用范圍，將對(duì)各類電器乃至工業(yè)生產(chǎn)上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)起到導(dǎo)向性的作用，特別是在冰箱，洗衣機(jī)，空調(diào)等家用電器和工業(yè)變頻控制等方面。DSP控制器以其結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，性能可靠，功能強(qiáng)，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)得到了眾多使用者的偏愛。

一般的電機(jī)控制能耗較大，應(yīng)用傳統(tǒng)控制算法使得系統(tǒng)的反應(yīng)速度較慢，控制精度有限，無法滿足實(shí)際需求。本發(fā)明針對(duì)伺服控制器中的軟件算法優(yōu)化及逆變單元轉(zhuǎn)換速度、減少轉(zhuǎn)換能耗進(jìn)行了分析研究，通過改進(jìn)軟件算法，簡化了原有算法，節(jié)省芯片資源的占用，在計(jì)算步驟中巧妙省略了中間變量的調(diào)用，因此可以很大程度提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和速度控制精度。通過這一軟件算法，基于DSP2812芯片對(duì)空間脈寬調(diào)制波實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，減小了對(duì)外圍器件的依賴，降低了成本，應(yīng)用范圍廣泛，在交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制中有著良好的發(fā)展前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置，解決當(dāng)前電機(jī)控制中能耗大，控制技術(shù)落后，系統(tǒng)反應(yīng)速度慢與效率低的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了硬件部分與軟件部分：

硬件部分：主要包括搭載DSP 2812芯片的控制板，光耦隔離模塊，功率板，光電編碼盤，交流電源，伺服電機(jī)，上位機(jī)。各模塊之間的連接關(guān)系為：功率板負(fù)責(zé)接收與執(zhí)行控制命令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并反饋檢測信號(hào)給控制板，分別與控制板，交流電源模塊（通過光耦隔離模塊）和伺服電機(jī)相連。控制板通過產(chǎn)生空間矢量PWM波（SVPWM）、控制電機(jī)定子磁場的角度和幅度、完成A/D轉(zhuǎn)換與坐標(biāo)變換等，發(fā)出PWM控制信號(hào)并通過光耦隔離模塊傳送至功率板，同時(shí)接收電機(jī)與功率板反饋的檢測信號(hào)來實(shí)現(xiàn)控制，并將測量數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。功率板由交流電源模塊供電，接收到控制信號(hào)后通過功率開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并反饋信號(hào)給控制板，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

所述DSP芯片為TMS320F2812，是電機(jī)控制專用芯片，可接收與存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)，完成測量數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換與坐標(biāo)變換，接收并計(jì)算電機(jī)的位置與轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)定子磁場的角度和幅度和產(chǎn)生SVPWM控制信號(hào)，與上位機(jī)進(jìn)行通信。

所述光耦隔離模塊選用6N137系列隔離芯片，處理控制板上輸出的電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)功率開關(guān)器件的控制，進(jìn)一步來驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)。

所述功率板主要包括：與控制板連接的PWM接口，PWM隔離電路、故障信號(hào)接口、逆變模塊、整流模塊、電壓采樣模塊、A/D采樣模塊、開關(guān)電源、光電編碼盤、電流霍爾傳感器、采樣調(diào)理電路等等；其中功率板中逆變模塊通過PWM接口與隔離電路接收到PWM控制信號(hào)后來驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并通過電流霍爾傳感器、采樣調(diào)理電路與電壓采樣模塊采集相應(yīng)輸出的電信號(hào)，送至控制板中，并通過A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)功率板中檢測信號(hào)的反饋。

所述交流電源供電模塊選用一塊TPS70151芯片，將5V輸入的電源穩(wěn)壓出1.8V，3.3V的多路電源，并通過電感隔離成多路，以便給數(shù)字電路與模擬電路分別供電。

所述光電編碼盤采用歐姆龍公司的E6B2-CWZ3E型號(hào)光電編碼器，其輸出信號(hào)傳送至DSP內(nèi)部自帶的QEP模塊，其中的兩路A、B輸出用于測速，來進(jìn)一步控制電機(jī)的定子磁場。

所述伺服電機(jī)選用SM060R20B30MN型號(hào)，額定功率為200W，由功率板上的功率開關(guān)器件來驅(qū)動(dòng)，并通過光電編碼盤將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與位置傳送至DSP芯片中的QEP模塊。

所述控制板與上位機(jī)的通信通過DSP芯片上的SCI模塊完成的，通信接口選用芯片MAX485構(gòu)成通信模塊，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平，通過RS-485總線上傳至上位機(jī)。

軟件部分：本發(fā)明軟件編程實(shí)現(xiàn)都在CCCS5.5的平臺(tái)上完成，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制所要實(shí)現(xiàn)的功能。本發(fā)明中程序主要解決以下幾個(gè)問題：

1.控制電機(jī)定子磁場的角度和幅度（SVPWM模塊）。控制伺服電機(jī)，程序的功能即如何產(chǎn)生和控制電機(jī)定子磁場的角度和幅度，能輸出任意角度和幅度的定子磁場，就有了控制電機(jī)的基礎(chǔ)。

2.通過光電編碼盤得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。電機(jī)編碼器輸出的是ABZ三相信號(hào)，DSP內(nèi)部自帶有編碼器信號(hào)接口模塊QEP模塊，通過配置此模塊，可以將外部的AB信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)前的計(jì)數(shù)值除以一圈的脈沖數(shù)就是轉(zhuǎn)子當(dāng)前的角度，即可進(jìn)一步去控制電機(jī)定子磁場的角度。

3.緩沖外部輸入信號(hào)。用戶設(shè)置的輸出，可能在瞬間從0突變到一個(gè)很大的值，電機(jī)忽然得到一個(gè)很高的電壓，但此時(shí)電機(jī)沒有轉(zhuǎn)起來，沒有反電勢(shì)，此時(shí)電流就會(huì)很大，達(dá)不到軟啟動(dòng)的效果。此程序通過一個(gè)斜坡函數(shù)“Rmp_cntl”模塊，將輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖，達(dá)到軟啟動(dòng)的效果。

4.通過測得的轉(zhuǎn)子位置運(yùn)算成當(dāng)前的速度。程序中通過一個(gè)固定的時(shí)間間隔1ms，測兩次轉(zhuǎn)子的位置，兩次轉(zhuǎn)子位置之差除以時(shí)間，即可得當(dāng)前速度。

5.電機(jī)產(chǎn)生輸出力是轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場作用的共同結(jié)果。讓電機(jī)旋轉(zhuǎn)，就要讓定子磁場在空間上超前或滯后轉(zhuǎn)子磁場90°，這個(gè)方向的力就是QS。若超前的不是90°而是其他角度，這個(gè)角度可以分解成一個(gè)垂直轉(zhuǎn)子磁場，和平行轉(zhuǎn)子磁場的力。垂直的產(chǎn)生力的輸出，平行的就能強(qiáng)化或弱化轉(zhuǎn)子磁場。一般情況是只輸出垂直轉(zhuǎn)子磁場的力，可保證發(fā)熱最小，效率最高。

根據(jù)SVPWM控制策略算法的推算，結(jié)合DSP2812的芯片特點(diǎn)，程序主要是初始化系統(tǒng)，包含的步驟有：初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、關(guān)中斷與清除中斷標(biāo)志、初始化中斷寄存器、初始化中斷向量表、將需要復(fù)制到RAM中的程序進(jìn)行復(fù)制、初始化flash寄存器、初始化IO口、初始化EVA、初始化AD、初始化串口SCIB等等。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的創(chuàng)新與益處在于：

1.一般的電機(jī)控制反應(yīng)速度慢，控制精度有限，本發(fā)明改進(jìn)了軟件算法，簡化了原有的傳統(tǒng)算法，在計(jì)算步驟中巧妙的省略了中間變量的調(diào)用，節(jié)省了芯片占用資源，可很大程度提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率與速度控制精度。

2.使用新型的高性能低功耗硬件，將軟件算法與DSP2812芯片結(jié)合，所設(shè)計(jì)的程序兼容性好，硬件系統(tǒng)減小了對(duì)外圍器件的依賴，成本低，應(yīng)用范圍廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明所述一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置的DSP外圍電路設(shè)計(jì)框圖。

圖3是本發(fā)明所述一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置的功率電路板設(shè)計(jì)框圖。

圖4是本發(fā)明所述一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置的軟件部分中系統(tǒng)初始化程序流程圖。

圖5是本發(fā)明所述一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置的軟件部分中QEP光電編碼盤與控制板SVPWM輸出模塊的程序流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1所示為本發(fā)明所述一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖，主要包括搭載DSP 2812芯片的控制板，光耦隔離模塊，功率板，光電編碼盤，交流電源，伺服電機(jī)，上位機(jī)?？刂瓢逯械腄SP2812芯片可產(chǎn)生空間矢量PWM波（SVPWM）、控制電機(jī)定子磁場的角度和幅度、檢測電流環(huán)、完成A/D轉(zhuǎn)換與坐標(biāo)變換等，輸出SVPWM信號(hào)并經(jīng)光耦隔離模塊處理后轉(zhuǎn)換為可驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件的信號(hào)傳送至功率板，進(jìn)一步來驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。同時(shí)通過電流霍爾傳感器、電壓采樣模塊與采樣調(diào)理電路將功率板上輸出的電信號(hào)反饋給DSP芯片的A/D轉(zhuǎn)換模塊，通過光電編碼盤將電機(jī)的轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)反饋至DSP芯片的QEP模塊，形成閉環(huán)控制。DSP芯片通過SCI模塊與RS-485電路將測量與計(jì)算數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示與監(jiān)測。

所述DSP芯片為TMS320F2812，是電機(jī)控制專用芯片，可接收與存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)，完成測量數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換與坐標(biāo)變換，接收并計(jì)算電機(jī)的位置與轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)定子磁場的角度和幅度和產(chǎn)生SVPWM控制信號(hào)，與上位機(jī)進(jìn)行通信。

所述光耦隔離模塊選用6N137系列隔離芯片，處理控制板上輸出的電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)功率開關(guān)器件的控制，進(jìn)一步來驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)。

所述功率板主要包括：與控制板連接的PWM接口，PWM隔離電路、故障信號(hào)接口、逆變模塊、整流模塊、電壓采樣模塊、A/D采樣模塊、開關(guān)電源、光電編碼盤、電流霍爾傳感器、采樣調(diào)理電路等等，由交流電源模塊進(jìn)行供電；其中功率板中逆變模塊通過PWM接口與隔離電路接收到SVPWM控制信號(hào)后來驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并通過電流霍爾傳感器、采樣調(diào)理電路與電壓采樣模塊采集相應(yīng)輸出的電信號(hào)，送至控制板中，并通過A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)功率板中檢測信號(hào)的反饋。

所述交流電源供電模塊選用一塊TPS70151芯片，將5V輸入的電源穩(wěn)壓出1.8V，3.3V的多路電源，并通過電感隔離成多路，以便給數(shù)字電路與模擬電路分別供電。

所述光電編碼盤采用歐姆龍公司的E6B2-CWZ3E型號(hào)光電編碼器，其輸出信號(hào)傳送至DSP內(nèi)部自帶的QEP模塊，其中的兩路A、B輸出用于測速，來進(jìn)一步控制電機(jī)的定子磁場。

所述伺服電機(jī)選用SM060R20B30MN型號(hào)，額定功率為200W，由功率板上的功率開關(guān)器件來驅(qū)動(dòng)，并通過光電編碼盤將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與位置傳送至DSP芯片中的QEP模塊。

所述控制板與上位機(jī)的通信通過DSP芯片上的SCI模塊完成的，通信接口選用芯片MAX485構(gòu)成通信模塊，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平，通過RS-485總線上傳至上位機(jī)。

圖2所示為本發(fā)明所述一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置的DSP外圍電路設(shè)計(jì)框圖。主要含有：開關(guān)量輸入、開關(guān)量接口、SCI模塊，UART模塊、上位機(jī)、液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊、電流環(huán)檢測模塊、eCAN模塊、外部中斷模塊、EEPROM、A/D轉(zhuǎn)換模塊等。DSP2812芯片及其外圍電路主要用來完成空間矢量控制系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換、控制電機(jī)定子磁場的角度和幅度、檢測電流環(huán)等，再用空間矢量控制算法產(chǎn)生空間矢量PWM波（SVPWM）。

圖3所示為本發(fā)明所述一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置的功率電路板設(shè)計(jì)框圖。主要包括：與控制板連接的PWM接口、PWM隔離電路、故障信號(hào)接口、逆變模塊、整流模塊、電壓采樣模塊、A/D采樣模塊、開關(guān)電源、光電編碼盤、電流霍爾傳感器、采樣調(diào)理電路等?？刂菩盘?hào)經(jīng)由PWM接口與隔離電路送入逆變模塊來驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件，從而進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由電流霍爾傳感器采集逆變模塊輸出的電流信號(hào)，經(jīng)由采樣調(diào)理電路送入A/D采樣接口；采用電壓采樣模塊對(duì)直流電壓進(jìn)行采樣并送入A/D采樣接口；使用位置傳感器采集電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度與位置信息送入A/D采樣接口。逆變模塊會(huì)通過故障信號(hào)接口將故障信號(hào)反饋給控制板中的DSP芯片，對(duì)逆變模塊進(jìn)行監(jiān)測與保護(hù)。

圖4所示為本發(fā)明所述一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置的軟件部分中系統(tǒng)初始化程序流程圖。系統(tǒng)初始化流程圖也是系統(tǒng)的主程序，主要完成各種變量與寄存器的初始化。首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘，關(guān)掉中斷并清除中斷標(biāo)志，初始化中斷控制寄存器與中斷向量表，將所需程序復(fù)制到RAM中，初始化flash寄存器、IO口，EVA、AD、串口SCIB，然后設(shè)置中斷服務(wù)程序入口地址，并使能定時(shí)器下溢中斷，開啟中斷并且允許全局中斷，隨后進(jìn)入for循環(huán)，判斷定時(shí)時(shí)間是否大于10ms，若大于10ms，則更新數(shù)碼管上的顯示數(shù)據(jù)，若小于10ms，則判斷是否為使能運(yùn)行，若是，則打開EVA，使能PWM輸出口控制信號(hào)，若否，則關(guān)閉EVA，禁止PWM輸出口控制信號(hào)，并結(jié)束for循環(huán)。

圖5所示為本發(fā)明所述一種基于DSP的SVPWM電機(jī)控制裝置的軟件部分中QEP光電編碼盤與控制板SVPWM輸出模塊的程序流程圖。首先開始設(shè)置定時(shí)器1的中斷服務(wù)程序，清除中斷標(biāo)志，使計(jì)數(shù)變量增加1，并運(yùn)行AD模塊讀取子程序，讀取hall信號(hào)；然后處理QEP模塊，讀取由光電編碼盤送進(jìn)來的電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度，判斷中斷支持是否超過20次，若超過，則通過角度增量來計(jì)算當(dāng)前的轉(zhuǎn)子速度；若未超過，則判斷剛上電的hall模式是否為開環(huán)模式，若是，則將用戶設(shè)定的占空比Vq送入RMPCNTL斜坡產(chǎn)生模塊進(jìn)行計(jì)算，并使用RMPCNTL斜坡產(chǎn)生模塊的輸出值與hall測得的轉(zhuǎn)子角度值先后輸入進(jìn)IPARK變換模塊與SVGENDQ模塊，從而計(jì)算出三相占空比值TA、TB、TC，再根據(jù)三相占空比值改變當(dāng)前PWM輸出控制信號(hào)。若不是開環(huán)模式，則需判斷編碼器是否為開環(huán)模式，若是，則將用戶設(shè)定的占空比Vq送入RMPCNTL斜坡產(chǎn)生模塊進(jìn)行計(jì)算，并使用RMPCNTL斜坡產(chǎn)生模塊的輸出值與編碼器測得的轉(zhuǎn)子角度值先后輸入進(jìn)IPARK變換模塊與SVGENDQ模塊，從而計(jì)算出三相占空比值TA、TB、TC，再根據(jù)三相占空比值改變當(dāng)前PWM輸出控制信號(hào)；若不是，則剛上電hall工作模式應(yīng)為開環(huán)模式，按前面所述步驟執(zhí)行即可。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實(shí)施例依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。