單一DSP控制兩套三相逆變器的實(shí)現(xiàn)

迄今為止的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)主張每臺(tái)逆變器和電機(jī)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(tái)電機(jī)的程度，甚至還有潛力處理更多電機(jī)。采用單一DSP控制器控

　　制兩套三相逆變器的初步實(shí)踐已經(jīng)表明此舉可行，樣板中包括實(shí)現(xiàn)雙永磁同步電機(jī)(PMSM)驅(qū)動(dòng)的完整系統(tǒng)及DSP接口。

　　使用單一DSP控制兩臺(tái)永磁同步電機(jī)(PMSM)的硬件實(shí)驗(yàn)裝置包括兩臺(tái)電機(jī),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(jí)到矢量控制可以顯著提高電機(jī)運(yùn)行效率，并允許采用更小、更便宜的電機(jī)，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(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度，不過，也需要相當(dāng)強(qiáng)大的處理能力，以實(shí)現(xiàn)為每臺(tái)電機(jī)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(jī)的控制應(yīng)用中，每臺(tái)逆變器需要20到25 MIPS的處理能力，此外，驅(qū)動(dòng)每臺(tái)逆變器還需要一個(gè)單獨(dú)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(tái)電機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)均需采用一個(gè)單獨(dú)的DSP來控制，當(dāng)應(yīng)用中只包含單臺(tái)電機(jī)時(shí)，問題并不突出，然而對(duì)于大多數(shù)多重電機(jī)應(yīng)用而言，就顯得累贅而且昂貴了。典型的多重電機(jī)應(yīng)用包括工程機(jī)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(jìn)的DSP的處理能力高達(dá)100到150 MIPS，這無疑提高了以單一DSP控制多臺(tái)電機(jī)的可能性。事實(shí)上，針對(duì)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(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖給出了來自每臺(tái)電機(jī)的編碼器信號(hào)輸入和兩套逆變器的各相驅(qū)動(dòng)。

　　硬件描述

　　雙電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件包括兩臺(tái)三相PMSM電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)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(tái)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　為生成兩套三相電壓型逆變器所需的信號(hào)，硬件裝置采用了六對(duì)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(tái)為一塊DSP開發(fā)板(TMS320F280eZdsp)，正弦換相的八極三相永磁電機(jī)(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(tái)電機(jī)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(kuò)展為以中斷服務(wù)程序(ISR)為核心的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用軟件。由后臺(tái)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(jī)系統(tǒng)的定時(shí)中斷于每個(gè)PWM周期調(diào)用中斷服務(wù)程序。

　　獨(dú)立控制兩臺(tái)三相PMSM電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)兩套磁場控制算法，針對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的全部計(jì)算必須在每個(gè)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(gè)模塊的輸入輸出，以便于在不同系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)模塊重用。所有計(jì)算均采用定點(diǎn)算法以簡化運(yùn)算要求。

　　電機(jī)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(dú)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(jì)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(jī)的電壓。連接于電機(jī)軸端的光電編碼器輸出正交脈沖， QEP模塊接收該脈沖，以計(jì)算轉(zhuǎn)子的位置和旋轉(zhuǎn)速度。