CN106655973A - 一种基于dsp的svpwm电机控制装置的设计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，包括搭载DSP2812芯片的控制板，光耦隔离模块，功率板，光电编码盘，交流电源模块，伺服电机，上位机。各模块之间的连接关系为：功率板是控制命令执行体，分别与控制板（通过光耦隔离模块），交流电源模块和伺服电机相连；控制板发出PWM控制信号，经光耦隔离模块处理后送至功率板，并实时接收由光电编码盘测得的电机转子测量数据；功率板由交流电源模块供电，收到控制信号后通过其上的功率开关器件实现对电机的控制，并反馈检测信号给控制板，实现闭环控制，数据上传至上位机监测。本发明使用新型高性能低功耗的硬件系统，程序兼容性好，外围器件少，成本低，算法简单，提高了系统的运行效率和速度控制精度。

Description

一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的设计

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的设计。

背景技术

电动机可将电能转换成机械能，广泛的应用于生活的各个领域中。电机传动控制中电机的驱动与调速控制占据着重要地位。电机正在驱动不同类型设备产业的发展，包括重工业机械设备如钢铁行业、造纸行业中的轧钢机，还有微电子行业与半导体行业中的精密仪器、数控机床等。经过统计调查，我国各类电机中有80%以上为小型的异步电机，且由于设备陈旧，控制技术落后等原因，导致浪费的电能非常之多。故需要使用先进高效的电机装置与驱动、调速控制方法来提高电动机效率，可节约电能与原材料，更加高效环保，对我国的可持续发展有重大意义。

异步电机与永磁电机基本的区别是性能和成本。目前异步电机的使用相对永磁电机来说更加广泛。因为异步电机的使用环境通常对于未知调整与调速没有精确的要求。典型的如众所周知的通用电机。但是随着生产要求的日渐提高，尤其是半导体以及其它精密产品生产的需求，永磁电机因其更小巧的体积、更高的效率性能及可控性强等优点，已经逐渐成为一种应用趋势。

由于微处理器MCU技术和电力电子相关技术的更新换代，脉冲宽度调制（PWM）逆变器被广泛地应用于电气传动系统领域中。在脉冲宽度调制控制策略中，SVPWM不同于传统技术，它在算法和实现方式上做了特殊的优化，可以很大程度排除逆变器的输出波形中的谐波成分，并且减少电机的能耗损失。因为在数字信号系统中便捷的实现方式，目前它已很好的代替传统的SPWM技术。另一方面，为保证SVPWM控制策略的性能，单片的运行速度已经远远无法满足，随着人们对于高性能的数字处理芯片的需求，DSP的发展也得到了推进，DSP有着强大的运算性能，以及芯片内部集成功能的完整性。

DSP是一个集成在一个单芯片DSP电机控制电路的核心，大大降低了硬件成本和尺寸，使用方便。DSP相比于传统单片机，其运算速度和处理性能是后者的数十倍，也就意味着可以在DSP中实现更加高级复杂的算法来实现控制，包括神经元控制、卡尔曼滤波、自适应控制、模糊控制等，很大程度上提高了系统的反应速度以及控制的精确度。DSP搭载的运动控制系统具有极其广泛的使用范围，将对各类电器乃至工业生产上的设备驱动起到导向性的作用，特别是在冰箱，洗衣机，空调等家用电器和工业变频控制等方面。DSP控制器以其结构紧凑，使用方便，性能可靠，功能强，价格低廉等优点得到了众多使用者的偏爱。

一般的电机控制能耗较大，应用传统控制算法使得系统的反应速度较慢，控制精度有限，无法满足实际需求。本发明针对伺服控制器中的软件算法优化及逆变单元转换速度、减少转换能耗进行了分析研究，通过改进软件算法，简化了原有算法，节省芯片资源的占用，在计算步骤中巧妙省略了中间变量的调用，因此可以很大程度提高整个系统的运行效率和速度控制精度。通过这一软件算法，基于DSP2812芯片对空间脉宽调制波实现了数字化控制，减小了对外围器件的依赖，降低了成本，应用范围广泛，在交流电机的驱动控制中有着良好的发展前景。

发明内容

本发明的目的是设计一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，解决当前电机控制中能耗大，控制技术落后，系统反应速度慢与效率低的问题。

为了实现上述发明目的，本发明设计了硬件部分与软件部分：

硬件部分：主要包括搭载DSP 2812芯片的控制板，光耦隔离模块，功率板，光电编码盘，交流电源，伺服电机，上位机。各模块之间的连接关系为：功率板负责接收与执行控制命令，驱动电机，并反馈检测信号给控制板，分别与控制板，交流电源模块（通过光耦隔离模块）和伺服电机相连。控制板通过产生空间矢量PWM波（SVPWM）、控制电机定子磁场的角度和幅度、完成A/D转换与坐标变换等，发出PWM控制信号并通过光耦隔离模块传送至功率板，同时接收电机与功率板反馈的检测信号来实现控制，并将测量数据上传至上位机。功率板由交流电源模块供电，接收到控制信号后通过功率开关器件驱动电机，并反馈信号给控制板，实现闭环控制。

所述DSP芯片为TMS320F2812，是电机控制专用芯片，可接收与存储测量数据，完成测量数据的A/D转换与坐标变换，接收并计算电机的位置与转速，控制电机定子磁场的角度和幅度和产生SVPWM控制信号，与上位机进行通信。

所述光耦隔离模块选用6N137系列隔离芯片，处理控制板上输出的电信号来实现对功率开关器件的控制，进一步来驱动大功率电机。

所述功率板主要包括：与控制板连接的PWM接口，PWM隔离电路、故障信号接口、逆变模块、整流模块、电压采样模块、A/D采样模块、开关电源、光电编码盘、电流霍尔传感器、采样调理电路等等；其中功率板中逆变模块通过PWM接口与隔离电路接收到PWM控制信号后来驱动功率开关器件来驱动电机，并通过电流霍尔传感器、采样调理电路与电压采样模块采集相应输出的电信号，送至控制板中，并通过A/D转换模块实现功率板中检测信号的反馈。

所述交流电源供电模块选用一块TPS70151芯片，将5V输入的电源稳压出1.8V，3.3V的多路电源，并通过电感隔离成多路，以便给数字电路与模拟电路分别供电。

所述光电编码盘采用欧姆龙公司的E6B2-CWZ3E型号光电编码器，其输出信号传送至DSP内部自带的QEP模块，其中的两路A、B输出用于测速，来进一步控制电机的定子磁场。

所述伺服电机选用SM060R20B30MN型号，额定功率为200W，由功率板上的功率开关器件来驱动，并通过光电编码盘将转子的转速与位置传送至DSP芯片中的QEP模块。

所述控制板与上位机的通信通过DSP芯片上的SCI模块完成的，通信接口选用芯片MAX485构成通信模块，将TTL电平转换为RS－485电平，通过RS-485总线上传至上位机。

软件部分：本发明软件编程实现都在CCCS5.5的平台上完成，以实现电机控制所要实现的功能。本发明中程序主要解决以下几个问题：

1.控制电机定子磁场的角度和幅度（SVPWM模块）。控制伺服电机，程序的功能即如何产生和控制电机定子磁场的角度和幅度，能输出任意角度和幅度的定子磁场，就有了控制电机的基础。

2.通过光电编码盘得到电机转子的位置。电机编码器输出的是ABZ三相信号，DSP内部自带有编码器信号接口模块QEP模块，通过配置此模块，可以将外部的AB信号进行计数，当前的计数值除以一圈的脉冲数就是转子当前的角度，即可进一步去控制电机定子磁场的角度。

3.缓冲外部输入信号。用户设置的输出，可能在瞬间从0突变到一个很大的值，电机忽然得到一个很高的电压，但此时电机没有转起来，没有反电势，此时电流就会很大，达不到软启动的效果。此程序通过一个斜坡函数“Rmp_cntl”模块，将输入信号进行缓冲，达到软启动的效果。

4.通过测得的转子位置运算成当前的速度。程序中通过一个固定的时间间隔1ms，测两次转子的位置，两次转子位置之差除以时间，即可得当前速度。

5.电机产生输出力是转子磁场和定子磁场作用的共同结果。让电机旋转，就要让定子磁场在空间上超前或滞后转子磁场90°，这个方向的力就是QS。若超前的不是90°而是其他角度，这个角度可以分解成一个垂直转子磁场，和平行转子磁场的力。垂直的产生力的输出，平行的就能强化或弱化转子磁场。一般情况是只输出垂直转子磁场的力，可保证发热最小，效率最高。

根据SVPWM控制策略算法的推算，结合DSP2812的芯片特点，程序主要是初始化系统，包含的步骤有：初始化系统时钟、关中断与清除中断标志、初始化中断寄存器、初始化中断向量表、将需要复制到RAM中的程序进行复制、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。

与现有技术相比，本发明的创新与益处在于：

1.一般的电机控制反应速度慢，控制精度有限，本发明改进了软件算法，简化了原有的传统算法，在计算步骤中巧妙的省略了中间变量的调用，节省了芯片占用资源，可很大程度提高系统的运行效率与速度控制精度。

2.使用新型的高性能低功耗硬件，将软件算法与DSP2812芯片结合，所设计的程序兼容性好，硬件系统减小了对外围器件的依赖，成本低，应用范围广。

附图说明

图1是本发明所述一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的硬件总体结构框图。

图2是本发明所述一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的DSP外围电路设计框图。

图3是本发明所述一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的功率电路板设计框图。

图4是本发明所述一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的软件部分中系统初始化程序流程图。

图5是本发明所述一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的软件部分中QEP光电编码盘与控制板SVPWM输出模块的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1所示为本发明所述一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的硬件总体结构框图，主要包括搭载DSP 2812芯片的控制板，光耦隔离模块，功率板，光电编码盘，交流电源，伺服电机，上位机。控制板中的DSP2812芯片可产生空间矢量PWM波（SVPWM）、控制电机定子磁场的角度和幅度、检测电流环、完成A/D转换与坐标变换等，输出SVPWM信号并经光耦隔离模块处理后转换为可驱动功率开关器件的信号传送至功率板，进一步来驱动电机旋转。同时通过电流霍尔传感器、电压采样模块与采样调理电路将功率板上输出的电信号反馈给DSP芯片的A/D转换模块，通过光电编码盘将电机的转子数据反馈至DSP芯片的QEP模块，形成闭环控制。DSP芯片通过SCI模块与RS-485电路将测量与计算数据上传至上位机进行显示与监测。

所述DSP芯片为TMS320F2812，是电机控制专用芯片，可接收与存储测量数据，完成测量数据的A/D转换与坐标变换，接收并计算电机的位置与转速，控制电机定子磁场的角度和幅度和产生SVPWM控制信号，与上位机进行通信。

所述光耦隔离模块选用6N137系列隔离芯片，处理控制板上输出的电信号来实现对功率开关器件的控制，进一步来驱动大功率电机。

所述功率板主要包括：与控制板连接的PWM接口，PWM隔离电路、故障信号接口、逆变模块、整流模块、电压采样模块、A/D采样模块、开关电源、光电编码盘、电流霍尔传感器、采样调理电路等等，由交流电源模块进行供电；其中功率板中逆变模块通过PWM接口与隔离电路接收到SVPWM控制信号后来驱动功率开关器件来驱动电机，并通过电流霍尔传感器、采样调理电路与电压采样模块采集相应输出的电信号，送至控制板中，并通过A/D转换模块实现功率板中检测信号的反馈。

所述交流电源供电模块选用一块TPS70151芯片，将5V输入的电源稳压出1.8V，3.3V的多路电源，并通过电感隔离成多路，以便给数字电路与模拟电路分别供电。

所述光电编码盘采用欧姆龙公司的E6B2-CWZ3E型号光电编码器，其输出信号传送至DSP内部自带的QEP模块，其中的两路A、B输出用于测速，来进一步控制电机的定子磁场。

所述伺服电机选用SM060R20B30MN型号，额定功率为200W，由功率板上的功率开关器件来驱动，并通过光电编码盘将转子的转速与位置传送至DSP芯片中的QEP模块。

所述控制板与上位机的通信通过DSP芯片上的SCI模块完成的，通信接口选用芯片MAX485构成通信模块，将TTL电平转换为RS－485电平，通过RS-485总线上传至上位机。

图2所示为本发明所述一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的DSP外围电路设计框图。主要含有：开关量输入、开关量接口、SCI模块，UART模块、上位机、液晶显示驱动模块、电流环检测模块、eCAN模块、外部中断模块、EEPROM、A/D转换模块等。DSP2812芯片及其外围电路主要用来完成空间矢量控制系统中的A/D转换、控制电机定子磁场的角度和幅度、检测电流环等，再用空间矢量控制算法产生空间矢量PWM波（SVPWM）。

图3所示为本发明所述一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的功率电路板设计框图。主要包括：与控制板连接的PWM接口、PWM隔离电路、故障信号接口、逆变模块、整流模块、电压采样模块、A/D采样模块、开关电源、光电编码盘、电流霍尔传感器、采样调理电路等。控制信号经由PWM接口与隔离电路送入逆变模块来驱动功率开关器件，从而进一步驱动电机。由电流霍尔传感器采集逆变模块输出的电流信号，经由采样调理电路送入A/D采样接口；采用电压采样模块对直流电压进行采样并送入A/D采样接口；使用位置传感器采集电机转子的速度与位置信息送入A/D采样接口。逆变模块会通过故障信号接口将故障信号反馈给控制板中的DSP芯片，对逆变模块进行监测与保护。

图4所示为本发明所述一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的软件部分中系统初始化程序流程图。系统初始化流程图也是系统的主程序，主要完成各种变量与寄存器的初始化。首先初始化系统时钟，关掉中断并清除中断标志，初始化中断控制寄存器与中断向量表，将所需程序复制到RAM中，初始化flash寄存器、IO口，EVA、AD、串口SCIB，然后设置中断服务程序入口地址，并使能定时器下溢中断，开启中断并且允许全局中断，随后进入for循环，判断定时时间是否大于10ms，若大于10ms，则更新数码管上的显示数据，若小于10ms，则判断是否为使能运行，若是，则打开EVA，使能PWM输出口控制信号，若否，则关闭EVA，禁止PWM输出口控制信号，并结束for循环。

图5所示为本发明所述一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的软件部分中QEP光电编码盘与控制板SVPWM输出模块的程序流程图。首先开始设置定时器1的中断服务程序，清除中断标志，使计数变量增加1，并运行AD模块读取子程序，读取hall信号；然后处理QEP模块，读取由光电编码盘送进来的电机转子的角度，判断中断支持是否超过20次，若超过，则通过角度增量来计算当前的转子速度；若未超过，则判断刚上电的hall模式是否为开环模式，若是，则将用户设定的占空比Vq送入RMPCNTL斜坡产生模块进行计算，并使用RMPCNTL斜坡产生模块的输出值与hall测得的转子角度值先后输入进IPARK变换模块与SVGENDQ模块，从而计算出三相占空比值TA、TB、TC，再根据三相占空比值改变当前PWM输出控制信号。若不是开环模式，则需判断编码器是否为开环模式，若是，则将用户设定的占空比Vq送入RMPCNTL斜坡产生模块进行计算，并使用RMPCNTL斜坡产生模块的输出值与编码器测得的转子角度值先后输入进IPARK变换模块与SVGENDQ模块，从而计算出三相占空比值TA、TB、TC，再根据三相占空比值改变当前PWM输出控制信号；若不是，则刚上电hall工作模式应为开环模式，按前面所述步骤执行即可。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征是所述装置包括搭载DSP芯片TMS320F2812的控制板，光耦隔离模块，功率板，光电编码盘，交流电源，伺服电机，上位机；各模块之间的连接关系为：功率板负责控制命令的接收与执行、检测信号的反馈，分别与控制板（通过光耦隔离模块），交流电源模块和伺服电机相连；控制板以DSP2812芯片为核心，实现空间矢量PWM波（SVPWM）的产生、对电流环的检测、对电机定子磁场的角度和幅度的控制、A/D转换与坐标变换等，并发出PWM控制信号，通过光耦隔离模块处理后发送给功率板，实时接收由光电编码盘测得的电机转子测量数据；功率板由交流电源模块供电，接收到PWM控制信号后，通过功率板上的功率开关器件实现对电机的控制，同时反馈检测信号给控制板，实现闭环控制；测量数据均通过控制板上的通讯模块上传到上位机进行监测。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：所用的DSP控制芯片采用TI公司生产的基于代码兼容的TMS320C28+内核的高性能32位定点数字信号处理器TMS320F2812作为控制核心。

3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：DSP2812芯片的程序烧录、调试与仿真都是通过JTAG接口来进行的。

4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：交流电源选用一块TPS70151芯片，将5V输入的电源稳压出1.8V，3.3V的多路电源，并通过电感隔离成多路，以便给数字电路与模拟电路分别供电。

5.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：主控计算机和DSP之间通过CAN总线来传递数据，外围电路中设计了CAN总线收发芯片SN65H，实现DSP与CAN总线的通信功能。

6.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：使用QEP光电编码盘实现电机转子的定位与测速功能，得到转子当前的角度才能去控制电机定子磁场的角度。

7.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：控制板上同时具备UART232与RS485两种通讯模块，便于与上位机通讯，组网通讯，增强可扩展性；选用芯片MAX485构成RS485通讯模块实现DSP与上位机的通信。

8.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：加入光耦隔离模块，选用6N137系列隔离芯片，处理控制板上输出的电信号来驱动大功率电机。

9.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：DSP2812的控制板中，主要的硬件模块有：开关量输入、开关量接口、SCI模块、UART模块、液晶显示驱动模块、电流环检测模块、eCAN模块、外部中断模块、EEROM、A/D转换模块等;功率板的电路硬件设计主要包括：与控制板连接的PWM接口、PWM隔离电路、故障信号接口、逆变模块、整流模块、电压采样模块、A/D采样模块、开关电源、光电编码盘、电流霍尔传感器、采样调理电路等；

所述逆变模块采用三菱公司生产的PM50CSE060型IPM，通过光耦隔离模块接收PWM控制信号实现功率开关器件的通断来驱动电机；

所述电流霍尔传感器采用霍尔传感器CS040GT实现对两相电流的采集，电流采集范围为-80A~80A；

所述开关电源选用普德新星电源技术公司所生产的GZM-H100T5+12-12开关电源对功率板上的模块供电，并结合WRB121YD-8W型电源转换模块得到相应的供电电压。