基于DSP的PMSM矢量控制系统的设计与研究

摘要：为实现对永磁同步电机(PMSM)的最优控制，设计了一种以数字信号处理器(DSP)为核心的控制器，深入分析了控制器中对电机运行精度影响较大的几个模块，并进行了优化。采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术完成了系统的硬件和软件调试，实验结果验证了所设计控制器的可行性，并能满足PMSM的高性能控制要求。
关键词：永磁同步电机；矢量控制；空间矢量脉宽调制

1 引言
PMSM具有转动惯量小、功率密度高、响应速度快等优点，在高性能的电机控制领域中得到了广泛应用。随着半导体技术的发展，电机控制的数字化已成为主流趋势，而高性能的电机控制算法都是通过主芯片实现的。目前，在电机控制领域中，最具代表性的DSP是TMS320F2000系列，其中TMS320F12812是该系列中的一款主流32位定点DSP，与TMS320F2407相比，它具有更丰富的硬件资源和更快的计算速度，可用于实现高性能电机控制系统。在此采用TMS320F2812设计了一种PMSM控制器，利用C语言编程进行软件设计，实现了系统速度、电流双闭环控制。

2 永磁同步电机矢量控制系统
矢量控制的基本思想是通过坐标变换，将电机定子电流分解成产生磁通的直轴分量和产生转矩的交轴分量，并使两分量相互垂直，彼此进行独立调节与控制。id=0控制法是目前交流电机控制中应用最广的矢量控制法。由于定子电流中只有交轴分量，没有直轴去磁分量，因而不会产生去磁效应，且电机定子磁链空间矢量和永磁体磁链空间矢量正交，从电机端口看，此时的交流PMSM相当于一台他励直流电机。该系统在矢量控制的基础上采用SVPWM技术来控制逆变器的输出电压，电机所有电流均用来产生电磁力矩，电机控制效率高，转矩特性好，可获得很宽的调速范围，PMSM矢量控制系统基本框图如图1所示。

3 系统硬件设计与分析
PMSM调速系统硬件电路如图2所示。主要包括主电路、控制电路、功率驱动电路、检测及保护电路等。主电路包括整流电路和逆变电路，其中整流部分由4个二极管构成整流桥实现；逆变电路是由6个IGBT元件构成的开关电路，可输出相位差120°的三相对称电压。

控制电路由上位机、TMS320F2812、光电编码器、霍尔传感器等组成。其中上位机与DSP通过JTAG模块连接，可实现两者间的实时通信：QEP模块连接光电编码器，用来捕获电机转速信息，并由数码管模块显示；A／D模块与霍尔传感器相连，用来检测电路中电压、电流值的大小；事件管理器模块输出6路PWM波，经光耦隔离、功率驱动电路，输出到逆变电路的6个IGBT开关管。
3．1 A／D采样精度分析
TMS320F2812片内A／D模块分辨率为12位，但在实际应用中精度并不高。理想情况下，A／D的采样结果为：y=Gx+b。其中，y为采样结果；x为输入电压；G为增益，G=1；b为偏置，b=0。但是在采样过程中，G并不等于1，b也不等于0，其偏差如图3所示。

由于A／D采样结果的准确性将直接影响电机控制性能，因此有必要采用矫正电路来提高其转换精度，该系统设计的矫正电路如图4所示。

对于同一个排序器。其8个通道的G和b是相同的，如果给定两个通道(如A6，A7)的输入电压，则有：y6=Gx6’+b’，y7=Gx7+b’。由图4可知，A6，A7的给定是通过稳压管和电阻分压得到的，其电压值是已知的，意即x6和x7是已知的。y6和y7可从A／D结果寄存器中读取，由y6和y7，的表达式可以计算得到：

得到G’和b’后，就可通过y=Gx+b计算矫正后的采样结果。
3．2 相电流检测及过热保护模块
为提高控制器的电流检测精度，该设计采用CS010GT霍尔电流传感器进行电流采样。CS010GT能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则的电流，其初级额定输入电流，Ipn=10 A，输入电流与输出电压的关系如图5所示。

为了减少高频信号以及负载效应对系统的影响，在霍尔电流传感器的输出端设计有电压跟随器。当电机长时间高速工作时，如果电路的散热条件不好，就会烧毁元件甚至造成更大损失。该设计中针对容易烧毁的大功率IGBT元件，在电机驱动板上安装了散热片，同时为了实时检测芯片温度，采用高精度温度传感器芯片LM358CAZ设计了过热保护电路，如图6所示。LM358CAZ芯片可直接采样摄氏温度，计算较方便，其额定温度范围为-55～150℃，非线性误差较小。

3．3 SVPWM实现模块
SVPWM较传统SPWM技术，具有谐波含量少、开关损耗小、直流电压利用率高等优点，在如今交流电机数字化控制中应用越来越广泛。采用TMS320F2812实现SVPWM非常方便，而且输出波形精度高。根据用户配置，DSP内部定时器能生成多种方式PWM波形，控制器生成PWM的硬件电路如图7所示。

要生成SVPWM波