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1、采用 DSPTMS320C32 实施 5 相感应电机转子现场朝向控制和直接转矩控制概要：介绍了关于转子现场导向的控制（RFOC）和五相位异步电机直接转矩控制(DOC)基于 dsp tms320c32 的全数字实现。RFOCHE DTC 这两种感应电机控制方法被广泛应用。他们都是通过磁链和转矩电动机直接控制，所以动态响应快，性能优良。一个 32 位浮点 tms320c32 dsp 让这两种精密控制技术方便，低成本，高控制精度。试验结果表明，TMS320C32 DSP 与直接转矩控制是一个很好的控制性能相结合的形式。介绍数字信号处理器已经被广泛地应用于电机驱动器。TMS32010 最初是在1982
2、 年由德克萨斯仪器引进,便立即应用于转向控制的芯片,TMS320C14。多年来,DSPs 不断扩大,迅速,C24X C20,C3X,这些已经成功发展并应用于电动机驱动。C24X，一种 16 位 DSP 核心,采用单片机外设,是专为数字电机控制l。32 位的浮点 C3X DSP 也是广泛应用在电动机驱动。由于他们的处理速度快、强大的指令集,创新的硬件结构与低成本、DSPs 一直是一个强大的对手在80c51 和 80c196Kx 等微处理器领域。随着大量的新颖的特点,如浮点运算,多重处理、嵌入式 a/D 转换和 D/a 转换器、高水平的编译器和友好的界面,DSPs成为进一步使它更简单、更可靠的执行
3、复杂的运动控制技术,通过软件，从而实现全数字控制系统,为高性能电动机驱动。如今,DSPs几乎统治电机控制领域取代微处理器和微控制器。转子现场定位控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)两种重要的运动控制方法,被广泛的应用于异步电动机驱动。他们被用来控制电机和电机直接转矩,这使它的动态和稳态性能的异步电机驱动匹配,甚至超越直流电机驱动。摘要，有人对 five-phase异步电动机的磁链和转矩组合的基础和第三个谐波的电流进行了研究。相应的转子领域的five-phase定位控制感应电动机正在发展。基于RFOC的基本原理的 five-phase异步电动机的定子电流Ias ibs i cs ids ies
4、去耦为通量 Id1，Id3和转矩分量Iq1 Iq3,然后发挥独立控制磁链和转矩的作用。RFOC感应电动机的five-phase已经产生了第三个谐波电流,从而导致了将近在气隙一个方波的流量分布和输出扭矩的提高。但它也带来了和传统的 RFOC三相异步电动机相比复杂得多的控制系统。另外,RFOC和第三个谐波RFOC应协调调整以达到预期的流量分布和扭矩输出的增大。这里给出了通常直接转矩控制的异步电机,众所周知 DTC基于瞬时空间理论,是一款功能强大的矢量电机控制的方法。通过理想的空间电压矢量在每个采样周期、DTC 能替代常规电流控制技术达到有效和直接的定子磁链和转矩的控制。DTC 对five-phas
5、e感应电动机直接转矩控制有其独特的特点。DTC 直接转矩控制的five-phase异步电机有不同的振幅的32电压向量。比起 8向量的三相异步电动机直接转矩控制，电压空间矢量数的增加使得必须开发一种更精细的直接转矩控制算法最小化定子磁链和波纹力矩从而获得了更精确的磁链和转矩控制。为了实现这两种复杂控制方法,RFOC 和直接转矩控制five-phase 异步电机，采用TMS320C32 这种 DSP 为核心的中央处理器。TMS320C32 是廉价 32 TMS320C3x 生成浮点处理器的成员。TMS320C32 特点是减少了芯片数和系统成本,提高了系统性能,使先进的 32 位的 C3x DSPs
6、 浮点结构可更好广泛应用。50 赫兹时钟能到25MIPS 而一个峰能有50 MFLOPS 浮点性能所以其执行RFOC 和直接转矩控制算法有一个高的处理速度和精度。另外,TMS320C32 有高度有效的优化,所有用 c 写的应用软件可以一旦用C 语言完成仿真程序的时候,它可以直接转到DSP 作为一种实时控制程序而不用转换计算的结果。因此,它是理想的使用它作为一个唯一的处理器去开发高性能的电机控制系统。实验结果表明,这是一个很好的控制方法通过RFOC 和直接转矩控制与TMS320C32 DSP 的结合,这说明一个浮点DSP在电动机驱动方面具有很大的现实图景。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心
7、整理-第 1 页，共 7 页 -控制系统的硬件设计基于的dsp 上的RFOC 和直接转矩控制的five-phase 感应电机有三个相连的模块,C32 系统板,16I/O8 DSPLINK接口和输出一个PWM 做five-phase 逆变应用。整个系统框图显示在图1。TMS320C32 是 RFOC 和直接转矩控制系统的加工中心从而实现RFOC 和直接转矩控制算法。直流环节电压Ed 定子电流为Ibs Ics Ids Ies,和电机的转速Wr 采样通过16I/O8 DSPLINK接口送到了DSP。电压和电流通过A/D 转换成数字信号然后输入到C32 DSP,当电机速度直接通过数字线路输入。DSP
8、执行 RFOC 和直接转矩控制的程序产生PWM 门信号驱动fivephase 异步电机。TMS320C32 使用的是一种50MHz 32 位的浮点数处理器与两个单片32 位定时器,一个增强外部存储器界面,两个直接存储器存取控制器和一个串行端口。C32 板的功能在图2,它提供了一个多才多艺的和强大的电机驱动开发工具。一份详细的讨论给出了C3 的的结构与规划。简短的在这里对板的主要特点进行了讨论DPRAM 数据库提供了一个快速、持续的方法去实现PC/DSP 的数据交换和一套可编程缓 存器接到DSP 的控制和状态寄存器的接口,消 除了原本必要的 硬 件连 接。而 且DPRAM,C32配备两个数据库的
9、内存库的只读存储器。静态存储器是用来存储数据和快速代码的执行。EPROM 可内嵌代码的可编程只读存储器去启动DSP 和使 C32 运行在一个独立的环境。图 1 全面控制系统的硬件结构C32 板也是用于增加接口数量和外设。这些外设有为C32 系统扩张 I/O 的能力。这接口可以选择适合的应用需求,如:两种电路模块(DM_A和 DM_B)和 DSPLINK 接口。由一个高速度、双向的总线使输入/输出的直接从C32 未使用的 I/O 总线,提供了一种高带宽、32 位,内存平行的扩张能力,用于电动机驱动的数据采集、信号输出。C32 系统板功能框图16I/O8 多渠道的I/O DSPLINK 模块是通过
10、DSP 板的界面直接连接到C32 DSPLINK 有50-pin IDC 带状电缆。它提供了一个十六位12-bit 频道的模拟/数字转换器(ADC)、八位 12 位数名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -字模拟频道转换器(DAC)和 4 个数字输出线。采样数据传输和从C32 系统板获得不同的数据在 16 寄存器的I/O DSPLINK界面允许直接存取到可编程控制功能板。图3 一个 16I/O8 功能板。16I/O8 DSPLINK执行 A 到 D 和 D 道 A 在所有的通道赋同步,异步或独立。A/D 采样率达到A/D 采样率为 25kHz 时，当所有的通道都
11、被使用时,38kHz 用八频道当使用渠道和48 khz 四兆通道。D 到 A 可以做到一个最大的转化率到100KHZ。当只使用输出通道或50kHz 使用双方的输入和输出通道。一个可编程中断发电机也可提供给板去中断C32 系统板,举例来说,16I/O8 准备好接收数据。这种综合模拟和数字的输入和输出,加上良好的带宽,模拟质量和较低的高空作业,让 16I/O8 DSPLINK理想 DSP I/O 子系统应用程序(如控制系统,测试和测量,与通用数据采集系统。16I/O8 框图,DSPLINK板10-channel 精度提供了PWM 硬件 PWM 输出。输出电流PI 调节阀与放大到一个三角形的波形进行
12、比较10-channel 产生 PWM 信号发送到SKHI22 IGBT驱动电路five-phase)形成的逆变器控制信号,控制 five-phase 感应电机。SKHI22 保证了2s 的滞后时间在门信号的上、下游装置来保护。在每个回合IGBTs 中导通。故障保护电路监视器直流环节过压(机汇)、定子结束电压、低压(LV),并在电流(OI),以及电机过热的实时性要求。一旦这些缺点发生时,可立即用PWM 输出堵住。实际上,PWM 信号能直接控制使用C32 DSP 软件不用额外的硬件。然而,在这种情况下,外部接口连接通过16I/O8 DSPLINK。没有数字口岸直接排出这个C32 DSP 芯片。四
13、个数字输出线的 16I/O8 板不够 five-phase 10 通道的 PWM 浇注的信号。经过D/A 转换、脉宽调制的输出信号频率的扭曲,不能与 10kHz 相比。因此,设计了这个额外的PWM 硬件。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -PWM 输出框图RFOC Five-Phase的异步电机基本原则的转子现场定位控制five-phase 异步电动机的定子电流分为Ibs Ics Ids Ies 进变量 Id1、Id3 和扭矩组件Iq1、Iq3,然后独立应用在磁链和转矩控制跟他励直流电机一样在第 q1-d1-q3-d3 坐标系,假设转子磁链矢量和d 参考帧。
14、RFOC 感应电动机的five-phase 第三次谐波电流,相组合可以简单地描述下面方程dr1=r1=Lm1Ids1 dr3=r3=Lm3Ids3 Te1=5/2 p/2Lm1/Lr1 Iqs1dr1 Te3=35/2p/2Lm3/Lr3 Iqs3dr3 Te=Te1+Te3 p是级数。从上面的方程式,可以看出转子 dr1磁链,dr3直接依赖 daxis定子电流 ids1,ids3,与定子轴电流,iqs3 iqs1 没有联系。Te Te1 Te3由d-axisdr1通量,dr3转子和定子成分扭矩控制。如果dr1,dr3不变,Te,Te3、Te1线性依赖 Iqs1和Iqs3 首先,RFOC fi
15、ve-phase 的异步电机由基本流量,并dr1和 torqueTe1第三次谐波磁 dr3和torqueTe3解耦分别独立控制,从而实现的 five-phase磁链和转矩的异步电机。基于DSP,RFOC TMS320C32 的fivephas 异步电机 7.5hp实施,四端子,五个阶段集中蜿蜒的异步电机。图显示了实验装置。上部是 fivephase目前,five-phase电机变频调节。这个底部的控制器,采用 DSP的处理采样数据的定子电流为 Ibs Ics Ids 和运动速度,实现了 RFOC r 的fivephase算法逆变器形成理想的矩形定子电流。这个C32 DSP实行转子现场至上控制算
16、法具有高的处理速度和RFOC精度,从而营造的 five-phase感应马达驱动与更高的动态和稳定的状态Five-phase异步电动机调速实验设置图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -控制策略的转子现场five-phase异步电动机定位控制,如图所示整个系统为两个闭合回路内部电流环和外部的速度环。每当一个参考速度为 r时,系统会自动给出比较实际速度Wr。根据马达运动方程、速度误差r直接指出了转矩。因此,输出的速度圆周率调节阀被视为扭矩的参考数字相应地,转矩分量的定子电流 iqs1可以获得。第三次谐波扭矩的组成部分定子电流iqs3被定义为 K3=15%Iqs1
17、当电机的实际速度或负荷的r TL 突然改变 iqs1 iqs3立即做出必要的速度和力矩的调整。一旦完成,适当调整电机的转速r应遵循给定值电机很快达到稳定的状态。转子磁链dr1是一个固定值。定子电流ids1可以进一步改变转子通量dr1。同样,第三次谐波扭矩的组成部分定子电流ids3 K3=15%Ids1 根据变换矩阵T()和参考电流 iqs1,*iqs3,*ids1*ids3、电流 Ias*，Ibs*，Ics*，Ids*可以评估。另外,电流环使实际的定子电流跟踪指定电流。这是最重要的发现电机同步旋转角度从两个角度(=r+s),当r代表转子位置,和 s,第三次谐波电流为基础的角度。转子的原理框图f
18、ive-phase定位控制领域的异步电机保持电机定子磁链内部扭矩磁链和转矩的范围由适当滞后分量选择在空间电压矢量32定子在每一个采样周期如图7。电压向量根据定子磁链和扭矩的误差(=?-e 和T=T?-Te)。32电压矢量被分成三个小组根据他们的振幅,是1:1.618:1.618 1.618,从最小到最大的。较大的振幅电压向量,它的影响是 flux s和扭矩Te Ed直流电压;Sa Sb Sc Sd、Se、的,都是 five-phase逆变器切换函数,可以拿 1或0的值或状态的基础上下限开关。如果上；开关然后切换假设一个值函数 1,“0”。根据这个基本方程的异步电机,定子磁 s可以写成。s=（V
19、s-IsRs）dt自从定子电阻较小,电压降可能会被忽略。离散时间名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -以上方程表示。s（n）=s（n-1）+Vs*T T为采样系统周期。很明显,定子磁直接取决于空间电压矢量Vs和采样周期。因此,选择适当的矢量Vs 32 电压定子磁可以控制,驱动的定子 沿预定流量 s路径。另外,five-phase异步电动机扭矩和空间电压Vs之间的关系为:且当定子磁保持不变,s选择的空间电压矢量能增加或减少扭矩迅速。因此,运用不同的空间电压矢量的 V,两者的定子磁链和感应电动机的转矩的five-phase 可以控制同时由于 five-phase
20、感应电机空间电压矢量数的不同,几乎是不可能去用自动寻找方法来完成选择在每个采样周期仿真和实时性控制程序。因此,一个相应的算法替代常规方选择电压向量,大大降低了实时控制程序的执行时间采样周期缩短了。这进一步降低了f ive-phase异步电机磁链和转矩脉动.图 8是表现的直接转矩控制的原理框图five-phase 感应电动机的控制策略。这个系统有内在的扭环、定子磁回路及外速度环。为 5-phase框图直接转矩控制的异步电机驱动。每当一个?指令性速度 r与电机自动比较实际speedr。从这个误差的速度,直接影响的输出扭矩,速度 PI控制器作为扭矩?参考价值 Te以作必要的调整,使电机转矩 spee
21、dr遵循?给定值 r。同时直接转矩控制系统实时five-phase 样品的定子电流为Ibs Ics Ids Ies 和直流环节、电压d E用来观察 s定子名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -磁、扭矩。这些实际值与参考价值作比较。作为一个结果,最理想的电压矢量表生成,并产生出开关five-phase浇注信号去控制电机驱动。结论阐述了使用 32位浮点 TMS320C32 DSP 芯片来实施 RFOC和five-phase异步电动机直接转矩控制。主要提出了这个系统的控制策略,RFOC 和直接转矩控制的硬件架构。实验结果表明,TMS320C32 DSP 与RFOCHE DTC 控制 five-phase异步电机是以个非常好的结合方法，并进一步表明浮点 DSP在电动机驱动具有很大的现实前景。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -