CN208028800U - 一种基于dsp的无传感器永磁同步电机控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于DSP的无传感器永磁同步电机控制系统，属于电机控制领域。该系统包括DSP主控芯片和外围电路，DSP主控芯片集成有脉冲宽度调制PWM模块、ADC模块、正交译码器模块、SPI接口、JTAG接口和串口通信模块SCI，通过电路链接匹配的方式实现对外围电路的数据处理和控制。外围电路包括启动过热保护电路、调理电路、检测电路、隔离驱动电路、光电码盘信号处理电路、电源转换电路、JTAG仿真器和DAC转换电路。本实用新型内容可以满足永磁同步电机无位置传感器调速场合的应用需求。

Description

一种基于DSP的无传感器永磁同步电机控制系统

技术领域

本实用新型属于电机控制领域，具体涉及一种基于DSP的无传感器永磁同步电机控制系统。

背景技术

随着永磁同步电机在各个领域得到广泛的应用，对永磁同步电机控制系统的控制性能也有了越来越高的要求，既希望控制系统能有较高的控制精度与稳态性能，又希望系统成本能尽量低廉，而影响这些的一个关键因素就是位置/速度传感器。由于机械式传感器增加了系统的成本、降低了系统的可靠性，而且其应用受到诸如温度、湿度和震动等条件的限制，因此无传感器技术成为近年来的研究热点。目前基于无传感器的研究主要分为低速和中高速两种。低速情况下，一般用高频注入法，但是该方法用于有凸极效应的电动机，使用范围受到限制。中高速运行时，一般用磁链估计法、模型参考自适应法、扩展卡尔曼滤波法、滑模变结构法等。模型参考自适应法没有摆脱控制系统对电动机参数的依赖性，滑模变结构的计算量比较大，相比较而言，扩展卡尔曼滤波器不仅适合于求解永磁同步电机的非线性方程，且对噪声有滤波作用，具有良好的动态特性和抗干扰能力，即使在静止状态下依然可以很好地观测。这种系统滑动模态受系统参数和干扰的影响较小，系统具有高鲁棒性。

永磁同步电机是一个强耦合的非线性动态系统，可以利用EKF对电机控制系统中的状态进行估计。随着速度更快、功能更新的新一代微处理器不断涌现，特别是具有高速性能的数字信号处理器的出现，使伺服系统的全数字化成为可能。TI半导体推出的TMS320F2812芯片，综合了数字信号处理器(DSP)功能和微控制器(MCU)功能于一体，指令执行速度达到了每秒60兆条指令(MIPS)，并且集成了电机控制系统的外围设备，将DSP的高速运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体。TMS320F2812采用了高密度的工艺制造，兼容TTL电平标准，片内含数字与模拟电路校正器以实现低功耗与低噪声，每个外设都可以单独禁用以降低功耗。它由CPU、存储器及外围功能模块组成。TMS320F2812采用多总线哈佛结构，具有独立的程序和数据存储空间，可以允许至多三个存储单元同时操作；支持8位、16位和32位单周期数据读取以及单周期16×16位并行乘加器(MAC)；JTAG/增强型片上仿真(EonCE)程序调试接口，可以实现无干扰的实时调试。片内存储器包括128KB的程序闪存存储器、4KB程序随机存储器、8KB的数据闪存存储器和8KB的数据随机存储器，并且两种存储器都可以片外扩展，程序存储器最大可寻址空间为221，数据存储器最大寻址空间为224。

由于诸多数字控制系统常用的硬件资源被集成到DSP芯片中，而且TMS320F2812针对电机驱动对脉宽调制模块作了专门地优化设计，支持自动死区设置，支持与ADC采样同步控制。因此，只需配置少量的外围电路，即可构成完整的电机控制平台，可以很大程度地简化控制硬件平台的设计。

本实用新型的基于DSP的无传感器永磁同步电机控制系统，就是主要依托DSP控制板的最新结构特点，加上相匹配的外围电路，实现了电机高性能的无传感器控制。

实用新型内容

本实用新型针对永磁同步电机无速度传感器的控制问题，提出一种基于DSP的无传感器永磁同步电机控制系统。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于DSP的无传感器永磁同步电机控制系统，包括DSP主控芯片和外围电路；

DSP主控芯片为控制核心，集成有脉冲宽度调制PWM模块、ADC模块、正交译码器

(Quadrature Decoder)模块、SPI接口、JTAG接口和串口通信模块SCI，通过电路链接匹配的方式实现对外围电路的数据处理和控制；外围电路包括启动过热保护电路、调理电路、检测电路、隔离驱动电路、光电码盘信号处理电路、电源转换电路、JTAG仿真器、DAC转换电路和串口通信模块SCI；

PWM模块：PWM模块通过隔离驱动电路输出六路PWM信号，经MC74HC244后，与可控开关IPM的PWM引脚相接，C74HC244的1脚与19脚相接作为硬件保护信号输入引脚，一旦保护发生，封锁PWM输出信号，起到硬件保护作用；

ADC模块：ADC模块连接外围的检测电路和调理电路，实现电流信号通过采样电阻转换成电压信号；转换后的电压信号与ADC模块的外引脚相连接，通过ADC模块进行采样和数据处理；

正交译码器模块：正交译码器模块连接外围的光电码盘信号处理电路，获取电机的实际运行速度，便于与估计转速进行比较。

SPI接口：SPI接口连接DAC转换电路，实现数字量到模拟量的转换并实时观测DSP主控芯片内部各个数字量的大小和变化；

JTAG接口：JTAG接口连接JTAG仿真器，实现DSP主控芯片与上位机通讯；控制上位机进行程序下载及仿真调试，同时控制系统通过RS232串口通信电路的通信能力；通过RS232串口通信电路与上位机构成异步收发通信、异步串口通信的电路，串口通信模块SCI对接受的数据进行间断检测、奇偶性、超时和帧错误检查；

串口通信模块SCI：连接RS232；

外围电路主要由启动过热保护电路和电源转换电路组成；直流母线电流信号和电压信号经滞环比较后输出，再将输出信号经逻辑相“与”后接入DSP主控芯片的保护引脚，同时将该信号接入隔离驱动电路保护控制引脚，起硬件保护作用；电源转换电路分别提供

+3.3V的数字电源和模拟电源，数字地和模拟地之间进行隔离。

所述的DAC转换电路采用MAX5253作为主控芯片，输入为SPI接口数据，与DSP主控芯片的SPI接口输出实现无缝连接；MAX5253是四通道的D/A转换，同时进行4个数字/模拟变量的转换和输出。

本实用新型提出的基于DSP主控芯片的无传感器永磁同步电机控制系统，能够满足永磁同步电机无位置传感器调速场合的需求，有广泛市场应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的无传感器永磁同步电机控制系统结构示意图。

图2是JTAG仿真接口电路图。

图3是RS232串口通信电路图。

图4是电源转换电路图。

图5是D/A转换电路图。

图6是光电码盘信号处理电路图。

图7是PWM输出电路图。

图8是启动及过热保护电路图。

图9是AD电流采样调理电路图。

图10是直流偏置电压电路图。

图11是直流母线过流、过压保护电路图。

图中：1DSP主控芯片；2RS232串口通信电路；3电源转换电路；4DAC转换电路；5光电码盘信号处理电路；6隔离驱动电路；7启动过热保护电路；8调理电路；9检测电路；10JTAG仿真器；11上位机；12可控开关IPM。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图，详细叙述本发明的实施例。

如图所示，该基于DSP的无传感器永磁同步电机控制系统，包括主控电路和功率驱动电路，主控电路以DSP主控芯片1为核心，通过电路链接匹配的方式实现对外围电路的数据处理和控制；DSP主控芯片1集成有脉冲宽度调制PWM模块、ADC模块、正交译码器、SPI接口、JTAG接口和串口通信模块SCI。

JTAG仿真器10通过JTAG接口实现DSP主控芯片1与上位机11通讯，进而控制上位机11进行程序下载及仿真调试，同时控制系统通过RS232串口通信电路2具备通信能力；程序的在线调试和仿真通过JTAG标准测试接口及相应的控制器，不但能控制和观察系统中处理器的运行，测试每一块芯片，还可以用这个接口来下载程序。集成开发环境CCS与JTAG接口相结合，可以很方便地进行实时在线调试。为了与JTAG仿真器10通信，DSP的控制板必须带有14引脚的双排直插管座。

TMS320F2812的串口通信模块SCI接口支持NRZ格式的异步外设间的全双工通信，它的接收器和发送器都是双级缓冲的，每一个都有自己的使能位和中断位，另外为了保证数据的完整性，串口通信模块SCI对接受的数据进行间断检测、奇偶性、超时和帧错误的检查，波特率可由选择寄存器来编程选择不同的传输速率和其他传输格式。本实用新型利用MAX232接口芯片将TMS320F2812DSPSCI模块通过RS-232-C格式和上位机构成异步收发通信，异步串口通信的电路。

TMS320F2812的供电电压为+3.3V，为了保证供电电源的稳定与正确，采用两片专用的电压转换芯片LM1117-3.3芯片分别提供+3.3V的数字电源和模拟电源。数字地和模拟地之间采用10mH电感进行隔离。

DAC转换电路4通过DSP主控芯片1上的SPI接口，实现数字量到模拟量的转换，并用于实时观测DSP主控芯片1内部各个数字量的大小和变化。DAC转换电路4采用MAX5253作为主控芯片，输入为SPI通信接口数据，可以和DSP主控芯片1的SPI输出实现无缝连接。MAX5253是四通道的D/A转换，可以同时进行4个数字/模拟变量的转换和输出。

光电码盘信号处理电路5通过DSP主控芯片1上的正交译码器获取电机的实际运行速度，便于与估计转速进行比较。本实用新型采用EPM3064A芯片，完成编码器12路信号地高速差分整形。EPM3064A是MAX3000ACPLD(Complex Programmable Logic Device)系列产品，基于电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，传输延时仅为4.5ns，可实现频率为222.2MHz；内部具有64个宏单元，1250个用户可编程门单元，电压内核为3.3V，输入输出引脚可兼容2.5V/3.3V/5V/逻辑电平。还提供了JTAG接口，能轻松地进行在系统编程。

本系统IPM采用国际整流公司IR的IRAMS10UP60A芯片，其额定电压为600V，额定电流10A，输出为三相桥式结构。它集成了六个低VCE(on)NPTIGBT，同时具有内置温度监视、过温过流保护、欠压锁定等一系列保护能力进一步简化了整个驱动电路的设计，提高了系统的可靠性。

DSP主控芯片1内的脉冲宽度调制PWM模块输出六路PWM信号，经MC74HC244后，与可控开关IPM12的PWM引脚相接，MC74HC244的1脚与19脚相接作为硬件保护信号输入引脚，一旦保护发生，封锁PWM输出信号，起到硬件保护作用。

由DSP的引脚输出OPEN信号，使得Q1000的1脚拉低，从而使得D1000的负极电位满足IPM开通电压要求，IPM输出允许，逆变器正常工作。当IPM故障时，此引脚电位经LM293比较后输出保护信号，封锁MC74HC244的PWM输出，并将此信号送入DSP保护信号引脚用于软件保护。

三相永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统至少需要实时检测电机任意两相的相电流，同时为了确保电机能够正常工作以及实现过欠压保护，需要不断检测直流母线电压数值。

电流信号首先需要通过采样电阻转换成电压信号才能为DSP的ADC模块所检测。在本系统中通过膜功率无感电阻测得电机相电流的电压取样信号值，加上一个1.65V的直流偏置电压，由MC33172构成的跟随器来消除高频噪音信号，并在输出端加上+3.3V稳压二极管，以确保DSP的ADC模块的输入不超过3.3V。此信号与集成在TMS320F2812内的ADC模块的外引脚相连接。由于电机供电是PWM方式进行供电，电流信号会叠加大量的高频干扰，可以通过R、C组成低通滤波环节滤除高频信号。为提高滤波效果，一般需要将截止频率设定得略高于电机的工作频率，从而滤除工作频率以上的所有噪声信号。此信号与集成在TMS320F2812内的ADC模块的外引脚相连接，通过ADC模块进行采样，进入DSP中进行数据处理。当过流时输出保护信号封锁驱动电路PWM信号输出。

在本系统中，直流电经过逆变器逆变成三相可控交流电，出于安全方面的考虑，需要确保直流母线电压符合设计要求。直流母线电压设定值为350V，TMS320F2812DSP的ADC模块的输入电压为0～3.3V，因此要适当选择电路中电阻的大小，改变放大电路的放大倍数，使得最终进入ADC模块的电压小于3.3V。

检测电路9通过调理电路8后，实现电流信号通过采样电阻转换成电压信号，转换后的电压信号与DSP主控芯片1内的ADC模块的外引脚相连接，通过ADC模块进行采样和数据处理。

启动过热保护电路7的直流母线电流信号和电压信号，经滞环比较后输出，再将输出信号经逻辑相“与”后接入DSP主控芯片1的保护引脚，同时将该信号接入隔离驱动电路6保护控制引脚，起硬件保护作用。

Claims (2)

1.一种基于DSP的无传感器永磁同步电机控制系统，其特征在于，该无传感器永磁同步电机控制系统包括DSP主控芯片(1)和外围电路；

DSP主控芯片(1)为控制核心，集成有脉冲宽度调制PWM模块、ADC模块、正交译码器模块、SPI接口、JTAG接口和串口通信模块SCI，通过电路链接匹配的方式实现对外围电路的数据处理和控制；外围电路包括启动过热保护电路(7)、调理电路(8)、检测电路(9)、隔离驱动电路(6)、光电码盘信号处理电路(5)、电源转换电路(3)、JTAG仿真器(10)、DAC转换电路(4)；

PWM模块：PWM模块通过隔离驱动电路(6)输出六路PWM信号，经MC74HC244后，与可控开关IPM(12)的PWM引脚相接，C74HC244的1脚与19脚相接作为硬件保护信号输入引脚，一旦保护发生，封锁PWM输出信号，起到硬件保护作用；

ADC模块：ADC模块连接外围的检测电路(9)和调理电路(8)，实现电流信号通过采样电阻转换成电压信号；转换后的电压信号与ADC模块的外引脚相连接，通过ADC模块进行采样和数据处理；

正交译码器模块：正交译码器模块连接外围的光电码盘信号处理电路(5)，获取电机的实际运行速度，便于与估计转速进行比较；

SPI接口：SPI接口连接DAC转换电路(4)，实现数字量到模拟量的转换并实时观测DSP主控芯片(1)内部各个数字量的大小和变化；

JTAG接口：JTAG接口连接JTAG仿真器(10)，实现DSP主控芯片(1)与上位机(11)通讯；控制上位机(11)进行程序下载及仿真调试，同时控制系统通过RS232串口通信电路(2)的通信能力；通过RS232串口通信电路(2)与上位机(11)构成异步收发通信、异步串口通信的电路，串口通信模块SCI对接受的数据进行间断检测、奇偶性、超时和帧错误检查；

串口通信模块SCI：连接RS232；

外围电路主要由启动过热保护电路(7)和电源转换电路(3)组成；直流母线电流信号和电压信号经滞环比较后输出，再将输出信号经逻辑相“与”后接入DSP主控芯片(1)的保护引脚，同时将该信号接入隔离驱动电路(6)保护控制引脚，起硬件保护作用；电源转换电路(3)分别提供+3.3V的数字电源和模拟电源，数字地和模拟地之间进行隔离。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的无传感器永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述的DAC转换电路(4)采用MAX5253作为主控芯片，输入为SPI接口数据，与DSP主控芯片(1)的SPI接口输出实现无缝连接；MAX5253是四通道的D/A转换，同时进行4个数字/模拟变量的转换和输出。