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DSP交流异步电机高精度调速系统
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2017-10-30
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摘要：针对交流异步电机的特性，设计了一套基于DSP的交流异步电机高精度调速系统。系统应用矢量控制技术作为系统的总体控制方案，以TI公司电机控制专用的高速数字信号处理器（DSP）TMS320F2812为系统的核心处理器，三菱电机公司的PS21246智能功率模块（IPM）为逆变器件，在此基础上运用空间电压矢量脉宽调制技术和模糊PI控制算法，构建了一个基于TMS320F2812 DSP的交流异步电机高精度控制平台。
关键词：DSP；IPM；矢量控制；SVPWM；模糊PI
近20年来，随着新型电力电子器件的出现，控制器也实现了从8位单片机到32位DSP的转变，特别是新型控制方法的出现，如：矢量控制、直接转矩控制以及模糊控制等，使得高精度交流异步电机调速系统实现成为可能。矢量控制具有转矩平滑，调速范围宽的特点。空间矢量脉宽调制技术（space vector PWM，SVPWM）物理概念清晰，电机脉动转矩小，直流电压利用率高，且易于实现。本文设计并实现了一套基于DSP的高精度交流调速系统，系统采用高速DSP芯片TMS320F2812作为核心，基于矢量控制与SVPWM相结合的控制方式，利用TMS320F2812芯片的事件管理器模块（event manager，EV）产生对称SVPWM脉冲，逆变器则采用智能功率模块（intelligent power module，IPM），保证了系统可靠性。在此基础上综合模糊PI控制算法，最终设计并构建了基于DSP的高精度交流调速系统。
1 系统的硬件总体设计
系统为基于高性能处理器的全数字交流调速系统，利用处理器实现对电机的速度环和电流环控制，与传统的模拟调速系统相比，有着结构简单、功能灵活多样、抗干扰能力强等优点。图1为交流调速系统的结构框图。
系统由弱电控制、强电驱动以及信号采集3部分组成。弱电控制部分是系统的控制核心，其完成对电机的控制、信号量的设定。强电驱动部分是由逆变电路、三相整流桥和三相交流电源组成，其将不可控的三相交流电转化为频率可控的三相交流电来驱动电机。信号采集部分则由电流、测速传感器组成，负责对电机进行电流和转速的检测，为系统提供反馈信号。以上3部分有机的组合在一起就构成了一个高精度交流电机调速系统。
2 主要硬件芯片的选型及相关电路设计
2．1 DSP芯片的选型
主处理器选择了TI（美国德州仪器）公司的TMS320F2812芯片，F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，最高可在150 MHz主频下工作。F2812片内集成众多资源：存储资源FLASH、RAM；标准通信接口，如串行通信接口（SCI）、串行外设接口（SPI）、增强型eCAN总线接口，方便与外设之间进行通信。在F2812内部还集成了一个12位的ADC转换模块，最高采样速率达12．5 MS／s；F2 812片上还包括事件管理器（EV）、定时器、看门狗以及大量的用户可开发利用的GPIO口等资源。该芯片具有很高的性价比，广泛应用于工业控制，特别是应用于处理速度、处理精度方面要求比较高的领域，十分适合于本文的高精度电机控制系统。
2．2 逆变电路
逆变电路将整流后的直流电变成可控的交流电，考虑系统的安全性和稳定性要求，此部分采用模块化的设计思想，即选择智能功率模块IPM作为功率器件。
IPM是一种先进的功率开关器件，具有高电流密度、低饱和电压、耐高压、高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率等优点。IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也增强了系统的可靠性。
系统采用了日本三菱电机的PS-21246系列的IPM智能功率模块。当IPM发生故障时，FO引脚输出低电平，产生PDPINT功率保护中断，实现保护。
2．3 高速隔离电路
为实现低压数字电路和高压功率电路之间的电气隔离，通常采用光耦隔离，另外，由于SVPWM算法输出信号频率较高，需要反应速度较快的光耦，普通的P521光耦无法满足速度要求，故设计中采用的是一款专用的IPM驱动芯片HCPL-4504。
HCPL-4504是美国安捷伦公司专为IPM等功率器件设计的高速光电隔离接口芯片，瞬间共模比为15 kV／μs，内部集成高灵敏度光传感器，可以准确、快速反应信号变化状况，极短的寄生延时合适于IPM，是功率器件接口的完美解决方案。
关键词：DSP；IPM；矢量控制；SVPWM；模糊PI
近20年来，随着新型电力电子器件的出现，控制器也实现了从8位单片机到32位DSP的转变，特别是新型控制方法的出现，如：矢量控制、直接转矩控制以及模糊控制等，使得高精度交流异步电机调速系统实现成为可能。矢量控制具有转矩平滑，调速范围宽的特点。空间矢量脉宽调制技术（space vector PWM，SVPWM）物理概念清晰，电机脉动转矩小，直流电压利用率高，且易于实现。本文设计并实现了一套基于DSP的高精度交流调速系统，系统采用高速DSP芯片TMS320F2812作为核心，基于矢量控制与SVPWM相结合的控制方式，利用TMS320F2812芯片的事件管理器模块（event manager，EV）产生对称SVPWM脉冲，逆变器则采用智能功率模块（intelligent power module，IPM），保证了系统可靠性。在此基础上综合模糊PI控制算法，最终设计并构建了基于DSP的高精度交流调速系统。
1 系统的硬件总体设计
系统为基于高性能处理器的全数字交流调速系统，利用处理器实现对电机的速度环和电流环控制，与传统的模拟调速系统相比，有着结构简单、功能灵活多样、抗干扰能力强等优点。图1为交流调速系统的结构框图。
系统由弱电控制、强电驱动以及信号采集3部分组成。弱电控制部分是系统的控制核心，其完成对电机的控制、信号量的设定。强电驱动部分是由逆变电路、三相整流桥和三相交流电源组成，其将不可控的三相交流电转化为频率可控的三相交流电来驱动电机。信号采集部分则由电流、测速传感器组成，负责对电机进行电流和转速的检测，为系统提供反馈信号。以上3部分有机的组合在一起就构成了一个高精度交流电机调速系统。
2 主要硬件芯片的选型及相关电路设计
2．1 DSP芯片的选型
主处理器选择了TI（美国德州仪器）公司的TMS320F2812芯片，F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，最高可在150 MHz主频下工作。F2812片内集成众多资源：存储资源FLASH、RAM；标准通信接口，如串行通信接口（SCI）、串行外设接口（SPI）、增强型eCAN总线接口，方便与外设之间进行通信。在F2812内部还集成了一个12位的ADC转换模块，最高采样速率达12．5 MS／s；F2 812片上还包括事件管理器（EV）、定时器、看门狗以及大量的用户可开发利用的GPIO口等资源。该芯片具有很高的性价比，广泛应用于工业控制，特别是应用于处理速度、处理精度方面要求比较高的领域，十分适合于本文的高精度电机控制系统。
2．2 逆变电路
逆变电路将整流后的直流电变成可控的交流电，考虑系统的安全性和稳定性要求，此部分采用模块化的设计思想，即选择智能功率模块IPM作为功率器件。
IPM是一种先进的功率开关器件，具有高电流密度、低饱和电压、耐高压、高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率等优点。IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也增强了系统的可靠性。
系统采用了日本三菱电机的PS-21246系列的IPM智能功率模块。当IPM发生故障时，FO引脚输出低电平，产生PDPINT功率保护中断，实现保护。
2．3 高速隔离电路
为实现低压数字电路和高压功率电路之间的电气隔离，通常采用光耦隔离，另外，由于SVPWM算法输出信号频率较高，需要反应速度较快的光耦，普通的P521光耦无法满足速度要求，故设计中采用的是一款专用的IPM驱动芯片HCPL-4504。
HCPL-4504是美国安捷伦公司专为IPM等功率器件设计的高速光电隔离接口芯片，瞬间共模比为15 kV／μs，内部集成高灵敏度光传感器，可以准确、快速反应信号变化状况，极短的寄生延时合适于IPM，是功率器件接口的完美解决方案。
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