CN211859992U - 一种基于tms320f28335的永磁同步电机控制器 - Google Patents
一种基于tms320f28335的永磁同步电机控制器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型属于电机控制技术领域，公开了一种基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器，硬件电路包括相电流采集、速度/角度采集、CPLD硬件保护电路以及串口通信和CAN通信的主控电路模块；辅助电源模块与所述主控电路模块相连接，用于给主控电路模块以及IGBT驱动电路模块提供不同等级的供电电压；IGBT驱动电路模块与所述主控电路模块相连接，用于提供驱动脉冲使得IGBT能够正常开通与关断。该永磁同步电机控制器实现了大功率电机的高性能稳定运行；采用旋转变压器进行电机的角度速度采集，提高了采集精度及抗干扰能力；采用CPLD作为硬件保护，进一步提高了系统的安全性能。
Description
技术领域
本实用新型属于电机控制技术领域，尤其涉及一种基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：电机作为新能源电动车的核心部件之一，电机控制器是至关重要的一部分，由于汽车行驶的工况复杂而且多样，所以设计出大功率、高性能、高效率的电机控制器是未来电控的主要方向。永磁同步电机具有良好的控制性能、高功率密度、高效率的特点受到广泛关注。通过采用id＝0的矢量控制策略，以类似直流电机的控制方式控制永磁同步电机是非常有效的途径。为了使得永磁同步电机在各控制系统中得到更好的运用，设计一款响应速度快、控制性能优越、保护功能齐全的控制器将成为永磁同步电机发展的重要需求。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术中，大功率电机驱动系统没有得到广泛应用，在恶劣环境下的角度/速度采集精度没有得到提高，控制系统的保护功能不完善，容易带来安全问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器。
本实用新型是这样实现的，一种基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器，包括进行相电流采集、速度/角度采集、CPLD硬件电路保护以及串口通信和CAN通信的主控电路模块；
辅助电源模块与所述主控电路模块相连接，用于给主控电路模块以及IGBT驱动电路模块提供不同等级的供电电压；
IGBT驱动电路模块与所述主控电路模块相连接，用于提供驱动脉冲使得IGBT能够正常开通与关断。
进一步，所述主控电路模块包括：采集模块、通信模块、硬件保护模块。
进一步，所述采集模块包括：相电流采集模块、角度采集模块、速度采集模块。
进一步，所述主控电路模块连接IGBT驱动电路，所述IGBT驱动电路连接三相全桥逆变电路，所述三相全桥逆变电路连接永磁同步电机；
所述永磁同步电机的外部安装有霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器连接反向放大器。
进一步，所述基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器还包括通讯模块、预充电模块。
进一步，所述通讯模块由CAN通信模块和SCI通信模块组成。
进一步，所述预充电模块由两个继电器控制位和一个电压采集判断，以及一个软件控制位组成。
进一步，该基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器还包括：速度、电流双闭环模块、SVPWM模块。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：该永磁同步电机控制器实现了大功率电机的高性能稳定运行；采用旋转变压器进行电机的角度速度采集，提高了采集精度及抗干扰能力；采用CPLD作为硬件保护，进一步提高了系统的安全性能。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器整体结构图。
图2是本实用新型实施例提供的矢量控制原理图。
图3是本实用新型实施例提供的主循环控制流程图。
图4是本实用新型实施例提供的主中断控制流程图。
图5是本实用新型实施例提供的通讯模块流程图。
图6是本实用新型实施例提供的预充电模块流程图。
图7是本实用新型实施例提供的电流采集转化流程图。
图8是本实用新型实施例提供的角度采集转化流程图。
图9是本实用新型实施例提供的速度采集转化流程图。
图10是本实用新型实施例提供的双闭环模块流程图。
图11是本实用新型实施例提供的SVPWM流程图。
图12是本实用新型实施例提供的转子角度信息图。
图13是本实用新型实施例提供的相电流曲线图。
图14是本实用新型实施例提供的不同转速下相电流曲线图。
图15是本实用新型实施例提供的电机升速时转速曲线图。
图16是本实用新型实施例提供的电机减速时转速曲线图。
图17是本实用新型实施例提供的电机正反转时转速曲线图。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器，下面结合附图1至图17对本实用新型作详细的描述。
如图1所示采用TMS320F28335作为电机控制器的主控芯片，完成控制电路、辅助电源电路、驱动电路的设计与调试，实现了一个高性能的大功率的电机控制器。
硬件主要包含：主控电路模块、辅助电源模块、IGBT驱动电路模块。主控电路模块主要包含采集模块、电机转子速度角度采集模块、通信模块、硬件保护模块等。主控芯片选取的是TI公司提供的具有浮点运算能力的TMS320F28335，能够进行串口通信和CAN通信，芯片的采样精度高，功耗低，成本低，性能高。辅助电源模块主要是给主控电路各个模块以及IGBT驱动电路模块提供不同等级的供电电压。驱动模块主要是提供驱动脉冲，使得IGBT能够正常开通与关断。
直流电压Udc经过IGBT驱动电路构成的三相全桥逆变电路以后逆变成三相对称的交流电输出给永磁同步电机。通过霍尔电流传感器采集电流信号，经过反向放大器，电流偏置后输入到主控芯片TMS320F28335的AD引脚；旋转变压器检测输出电机的转子角度和速度信号，传输到解码电路进行解码，将数据传到主控芯片TMS320F28335的IO口。TMS320F28335通过算法计算生成SVPWM脉冲信号驱动IGBT，控制IGBT的开通和关断时间，从而逆变产生变化的电压信号，变化的电压使得永磁同步电机转动。同时主控电路中还具有相电流保护和母线电压过压保护电路，IGBT驱动电路中集成了故障信号模块，在IGBT驱动电路发出故障信号或者母线电压、相电流检测发出故障信号时，CPLD会立即切断PWM的输出，并且将故障码传到TMS320F28335的IO口，主控芯片停止发送PWM信号，从而很好的保护了整个控制系统。设计了CAN通信和串口通信两种通信方式完成与上位机之间的交互。
如图2所示，在PMSM矢量控制系统框图中主要包括有电流检测模块，速度、角度采集模块，Clark和Park变换模块、PI调节模块、SVPWM模块，和PMSM。系统采用双闭环的矢量控制方式，其中外环为一个速度环、内环为两个电流环。在转速外环中，设定转速nref与实际反馈的转速n进行比较，通过速度PI控制器得到给定交轴电流的isq。在电流内环中，给定的直轴电流isd＝0和交轴电流isq分别与经过坐标变换得到的交直轴电流分量id和iq构成两个电流闭环控制，经过PI调节器后输出电压Ud、Uq，再通过反Park变换得到Uα、Uβ。最后采用SVPWM控制技术生成对应的电压波形，从而达到驱动、控制电机的目的。
电机控制器软件总体设计：在整个电机控制器软件程序设计中分主循环和主中断两个控制部分组成，主循环部分由CAN通讯模块、SCI通讯模块和预充电模块组成，主要负责各个模块的初始化、与上位机和整车控制器的通讯以及系统预充电的功能。主中断部分主要负责完成控制算法，由数据采集和转化模块、速度、电流双闭环控制模块和SVPWM波形调制模块组成。下面两个图分别是主循环和主中断控制流程图。
图3是本实用新型实施例提供的主循环控制流程图，图4是本实用新型实施例提供的主中断控制流程图。
本实用新型他提供的通讯模块如图5所示，通讯部分由CAN通信模块和SCI通信模块组成。SCI通讯模块主要负责将电机运行时的的实时数据发送到PC上位机上进行显示；CAN通信模块主要负责与整车控制器通信，也可以通过一定的CAN通信协议将电机数据发送，通过CAN转WIFI的工具后在上位机端通过无线网的方式接收，从而实现对电机的远程监控。
本实用新型提供的预充电模块如图6所示，预充电模块由两个继电器控制位和一个电压采集判断，以及一个软件控制位组成。两个继电器分别控制预充电回路和主回路，电压采集模块分别采集母线电压和预充电回路电压，当预充电电压达到母线电压的90％后，才允许开启主回路继电器启动主回路，软件控制位负责启动双闭环控制系统，输出调制后的六路SPWM波形。
本实用新型提供的主中断控制系统包括数据采集和转化模块，进一步包括：
相电流采集(如图7)：
采集电机三相电流信息是通过DSP的AD口采集对应引脚的电压值，再通过公式计算将电压值换算为电流值，得到电机的三相电流值。然后通过Clark变换，将其由abc三相静止坐标系电流值转化为αβ两相静止坐标系电流值，再通过Park变换，将其由αβ两相静止坐标系电流值转化为dq两相旋转坐标系电流值。
角度采集(如图8)：
采集角度信息是通过AD2S1210这款芯片，利用永磁同步电机上的旋转变压器来采集角度信息。首先通过GPIO初始化AD2S1210，再选择A0、A1两个端口选择所传输的数据为角度信息，然后通过SPI通信将角度数据发送给DSP，DSP的AD口接收到数据后将其换算成电角度值，并加上一定的偏移量，最后将其标幺化参与双闭环计算。
速度采集(如图9)：
速度信息也是利用AD2S1210芯片来采集的，通过GPIO初始化芯片后，选择A0、A1口功能为传输转速数据，然后通过SPI将速度数据发送给DSP的AD口，DSP接收到AD数据后换算为对应的速度值，最后将其标幺化。
速度、电流双闭环模块(如图10)：
双闭环系统由一个速度环和两个电流环组成，每次进中断的时间是0.1ms，电流环每次进中断都计算一遍，所以每0.1ms计算一次电流环，输出设定电压Ud、Uq给SVPWM模块；而速度环是每进100次中断计算一次，所以速度闭环的周期为10ms。
SVPWM模块：
根据双闭环模块输出的Ud、Uq和数据采集和转化模块输出的角度值进行SVPWM变换，输出TA、TB、TC，计算出每路PWM波的占空比，根据这个占空比由DSP的PWM模块输出PWM波从而驱动三相电压型逆变器工作。SVPWM实现流程图如图11所示。
为了验证系统的性能，搭建了所示的测试平台，我们在电机的额定电压(220V)下测试电机的性能，测试结果如图12所示。
图12是电机稳定运行时旋转变压器所采集的角度位置信息，旋转变压器的精度为15位，角度数据是从0到32768，再从32768到0，如此循环，由于电机的极对数为4，所以电机旋转一圈所经过的一个机械周期对应于4个电周期。
图13是电机运行稳定时的三相电流波形，从图中可看出三相电流的频率、幅值大致相等，且相位互差120°，满足控制系统性能指标要求。
图14是电机加速的过程中三相电流波形，从图中可看出不论转速快慢三相电流的频率、幅值大致相等，且相位互差120°。高速时的电流频率和幅值要比低速时要高，在状态切换时电流响应快且平稳。
图15是电机从静止启动分别待电机运行稳定后输入转速300r/min、900r/min、1500r/min、2100r/min、2700r/min、2900r/min，缓慢加速到2900r/min的过程中转速响应的测试。从图中可以明显看出无论是从静止启动还是在缓慢加速的过程中，电机运行良好，加速过度响应快且平滑，转速超调量较小。
图16是电机降速时的速度反馈曲线，在电机转速为2900r/min时，先降速至2700r/min，待稳定运行时然后依次降速至1500r/min、1000r/min、500r/min，可以看出在降速过程中系统的静态性能稳定，动态响应迅速，满足系统的设计目的。
图17是电机正反转切换测试的转速曲线，首先在电机静止时以正向1500r/min的速度启动，待电机运行稳定后，再突然使电机以1500r/min的速度反转，最后停止系统，转速降至零。虽然在实际的车用永磁同步电机上是不会出现这种高速状态下正反转极限切换的运行状态，但在本设计的试验平台上，为了验证系统各个工况下的性能，进行了非正常工况测试，测试结果表明，该系统表现良好，转速过度平稳。
下面结合工作原理对本发明作进一步描述。
旋变将采集到的电机转子位置速度信息通过旋变解码电路进行解码，将数据传递给主控芯片TMS320F28335；同时霍尔电流传感器将采集到的电机三相电流通过电流采集电路传递给主控芯片TMS320F28335；主控芯片通过矢量控制算法生成6路PWM信号驱动IGBT驱动电路，控制IGBT的开通和关段，由6个IGBT组成的三相全桥逆变电路就将直流电压Udc逆变成三相交流电压，从而驱动永磁同步电机转动。当出现相电流过流、母线电压过压、IGBT驱动电路故障、过温等故障时，保护电路立即将故障信号传递给CPLD，CPLD立即切断6路PWM的输出，同时将故障信号传递给主控芯片，主控芯片停止发送PWM信号，很好的保护了整个系统。
以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器，其特征在于，所述基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器包括进行串口通信和CAN通信的主控电路模块；
辅助电源模块与所述主控电路模块相连接，用于给主控电路模块以及IGBT驱动电路模块提供不同等级的供电电压；
IGBT驱动电路模块与所述主控电路模块相连接，用于提供驱动脉冲使得IGBT能够正常开通与关断。
2.如权利要求1所述的基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器，其特征在于，所述主控电路模块包括：采集模块、通信模块、硬件保护模块。
3.如权利要求2所述的基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器，其特征在于，所述采集模块包括：相电流采集模块、角度采集模块、速度采集模块。
4.如权利要求1所述的基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器，其特征在于，所述主控电路模块连接IGBT驱动电路，所述IGBT驱动电路连接三相全桥逆变电路，所述三相全桥逆变电路连接永磁同步电机；
所述永磁同步电机的外部安装有霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器连接反向放大器。
5.如权利要求1所述的基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器，其特征在于，所述基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器还包括通讯模块、预充电模块。
6.如权利要求5所述的基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器，其特征在于，所述通讯模块由CAN通信模块和SCI通信模块组成。
7.如权利要求5所述的基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器，其特征在于，所述预充电模块由两个继电器控制位和一个电压采集判断，以及一个软件控制位组成。
8.如权利要求1所述的基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器，其特征在于，该基于TMS320F28335的永磁同步电机控制器还包括：速度、电流双闭环模块、SVPWM模块。
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