以單一DSP控制多重三相逆變器

多數(shù)新型電機控制方案均利用數(shù)字信號處理器（DSP）為電機的矢量控制提供所需的計算能力。由于矢量控制需要相當(dāng)強大的處理能力和外圍資源，因而迄今為止的設(shè)計經(jīng)驗仍主張每臺逆變器和電機都擁有專門隸屬于自己的DSP控制器。最近，DSP的處理能力和外圍資源已提升到足以輕松控制兩臺電機的程度，甚至還有潛力處理更多電機。采用單一DSP控制器控制兩套三相逆變器的初步實踐已經(jīng)表明此舉可行，樣板中包括實現(xiàn)雙永磁同步電機（PMSM）驅(qū)動的完整系統(tǒng)及DSP接口。
 

                              

使用單一DSP控制兩臺永磁同步電機(PMSM)的硬件實驗裝置包括兩臺電機,兩塊逆變板以及一塊單一的D S P 開發(fā)板(TMS320F280eZdsp)。

由標(biāo)量控制升級到矢量控制可以顯著提高電機運行效率，并允許采用更小、更便宜的電機，從而有利于節(jié)能。矢量控制能夠生成適當(dāng)?shù)拇艌鍪噶?，控制電機的轉(zhuǎn)矩和速度，不過，也需要相當(dāng)強大的處理能力，以實現(xiàn)為每臺電機生成正確脈寬調(diào)制（PWM）輸出所需的控制算法。當(dāng)前，在典型電機的控制應(yīng)用中，每臺逆變器需要20到25 MIPS的處理能力，此外，驅(qū)動每臺逆變器還需要一個單獨的編碼器接口模塊和六路PWM輸出。

  

過去的方法

上述苛刻要求往往意味著每臺電機的應(yīng)用系統(tǒng)均需采用一個單獨的DSP來控制，當(dāng)應(yīng)用中只包含單臺電機時，問題并不突出，然而對于大多數(shù)多重電機應(yīng)用而言，就顯得累贅而且昂貴了。典型的多重電機應(yīng)用包括工程機械、暖通空調(diào)設(shè)備（HVAC）、汽車以及其他許多應(yīng)用。如今，最先進的DSP的處理能力高達100到150 MIPS，這無疑提高了以單一DSP控制多臺電機的可能性。事實上，針對此類應(yīng)用的DSP已經(jīng)開發(fā)完成，片內(nèi)具有多組編碼器接口和數(shù)目眾多的PWM輸出。 
 
雙驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖給出了來自每臺電機的編碼器信號輸入和兩套逆變器的各相驅(qū)動

硬件描述

雙電機控制系統(tǒng)的硬件包括兩臺三相PMSM電機，每臺電機連接著一套三相電壓型PWM逆變器，全部逆變器以單一DSP控制器（Texas Instruments TMS320F2808）分別控制。片內(nèi)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器記錄各相電流和直流母線電壓信息，以及來自兩臺逆變器的其他數(shù)據(jù)；內(nèi)置于DSP控制器的編碼器接口模塊接收編碼器反饋信息；片內(nèi)與電力電子相關(guān)的外圍接口為逆變器提供無縫連接，以有效簡化整個系統(tǒng)設(shè)計。

為生成兩套三相電壓型逆變器所需的信號，硬件裝置采用了六對PWM輸出。PWM通道的逆變操作頻率為20 kHz，并逐周期刷新PWM調(diào)制所需的比較值。主控平臺為一塊DSP開發(fā)板（TMS320F280eZdsp），正弦換相的八極三相永磁電機（Applied Motion A0100-103-3-000）采用兩千線編碼器，DSP的片上正交編碼器脈沖（QEP）接口與每臺電機的編碼器相連。

軟件開發(fā)

采用C代碼編寫的模塊化軟件有利于將來擴展為以中斷服務(wù)程序（ISR）為核心的驅(qū)動應(yīng)用軟件。由后臺循環(huán)構(gòu)成的主程序只是簡單地初始化外圍設(shè)備，包括鎖相環(huán)、看門狗、中斷控制和事件管理器等。其余代碼包括PWM中斷服務(wù)程序等。各自電機系統(tǒng)的定時中斷于每個PWM周期調(diào)用中斷服務(wù)程序。

獨立控制兩臺三相PMSM電機需要實現(xiàn)兩套磁場控制算法，針對兩臺電機的全部計算必須在每個PWM周期之內(nèi)完成，并周而復(fù)始地多重調(diào)用軟件模塊，因此有必要清晰地定義每個模塊的輸入輸出，以便于在不同系統(tǒng)間實現(xiàn)模塊重用。所有計算均采用定點算法以簡化運算要求。

電機控制算法   

著名的Carke-Park變換構(gòu)成了磁場定向控制（FOC）算法，將三相電流矢量由三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，再由獨立的比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器分別處理變換后的正交分量，最后PWM開關(guān)模式變換器根據(jù)編碼器反饋信息計算得到的磁通角度將PID調(diào)節(jié)器輸出再度轉(zhuǎn)化回三相靜止坐標(biāo)系中去。

PID模塊控制著PWM占空比，以調(diào)節(jié)施加于電機的電壓。連接于電機軸端的光電編碼器輸出正交脈沖， QEP模塊接收該脈沖，以計算轉(zhuǎn)子的位置和旋轉(zhuǎn)速度。

            

TMS320F 28XX 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖表示了外圍接口、外圍總線和片內(nèi)存儲器,其中外圍接口上部的六相PWM接口和兩套QEP 接口使得單一DSP 能夠控制兩臺電機

依據(jù)前面描述的算法，為實現(xiàn)調(diào)速運行，需要以PID調(diào)節(jié)模塊計算PWM比較寄存器的值。全部算法以20 kHz的頻率運行，并于每個PWM周期刷新PWM占空比。為第二臺電機重復(fù)此過程，可實現(xiàn)以單一DSP控制器提供雙電機獨立驅(qū)動的完整控制。

定點算法開發(fā)

一種稱為IQMATH的專用定點數(shù)學(xué)函數(shù)庫，可基于DSP硬件和編譯器優(yōu)化算法性能。IQMATH由高度優(yōu)化的高精度數(shù)學(xué)函數(shù)集構(gòu)成，可以用C/C++設(shè)計將浮點算法無縫地轉(zhuǎn)化成DSP的定點代碼。IQMATH程序使得以類浮點格式編寫定點程序成為可能，該程序還能處理在定點編程中需要額外考慮的飽和及溢出問題。而且，IQMATH程序特別適用于需要極高執(zhí)行速度和運算精度的計算密集型實時應(yīng)用。
 

          

每臺電機的磁場定向控制都采用一組正交編碼器脈沖和Clarke-Park 變換

根據(jù)使用過的軟件模塊定義可以創(chuàng)建一種特殊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使多次重用軟件模塊成為可能，從而可以按照實現(xiàn)整個系統(tǒng)所需要的次數(shù)重復(fù)引用目標(biāo)模塊。在雙驅(qū)動系統(tǒng)中，簡單地定義適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)類型，就可以將所需模塊引用兩次。實現(xiàn)雙重算法大約會消耗DSP片內(nèi)63 kW Flash和18 kW RAM內(nèi)存資源中的4 kW程序空間和0.5kW數(shù)據(jù)空間。

多重逆變控制器則需要為每臺電機配置專用的故障檢測信號接收引腳。

在多重逆變驅(qū)動中，故障管理需要重點考慮。操控單一逆變器的傳統(tǒng)DSP控制器通常只是包含單一的故障管理系統(tǒng)，出現(xiàn)故障時就關(guān)斷控制器。多重逆變控制器則需要為每臺電機配置專用的故障檢測信號接收引腳，例如：可能需要六個引腳分別對應(yīng)兩臺電機中每臺的過壓、過流和過溫傳感器。單一電機的三個引腳共同連接到一個邏輯或模塊上，當(dāng)任何一個引腳出現(xiàn)由低到高或由高到低的變化時，就產(chǎn)生一個中斷，關(guān)斷相應(yīng)電機的PWM輸出。

試驗結(jié)果

雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的軟件開發(fā)是分階段完成的，可以顯著縮減調(diào)試所需要的時間。遞增式的軟件構(gòu)建過程一次只測試少許軟件模塊，只有前一階段完成之后，才進入下一級工作，最終結(jié)果是成功地完成了每臺驅(qū)動的獨立控制 。用掉的MIPS處理能力遠遠低于DSP控制器可提供的100 MIPS，剩余帶寬可以輕松地用來構(gòu)建更多的附加功能。

PMSM電機的矢量控制具備公認的性能優(yōu)越性，然而一片傳統(tǒng)控制器只能以有限的帶寬和片內(nèi)外圍資源實現(xiàn)單臺高性能驅(qū)動，另一方面，為每臺電機單獨提供驅(qū)動控制也會增加整個系統(tǒng)的成本。最新一代DSP控制器致力于解決成本問題，通過提供更強大的處理能力，多重編碼器接口以及數(shù)量眾多的PWM輸出，可以滿足兩臺甚至更多電機的控制需要。DSP內(nèi)核結(jié)合必要的外圍接口可以簡化設(shè)計過程，并為實現(xiàn)附加驅(qū)動特性提供選擇余地。如果單一DSP控制器有能力操作多達四套三相電壓型逆變器，就可以徹底降低使用多臺電機的機械和運輸設(shè)備的成本和占地空間。

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