本發明屬于電力系統領域，具體涉及一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置的設計。

背景技術：

電動機可將電能轉換成機械能，廣泛的應用于生活的各個領域中。電機傳動控制中電機的驅動與調速控制占據著重要地位。電機正在驅動不同類型設備產業的發展，包括重工業機械設備如鋼鐵行業、造紙行業中的軋鋼機，還有微電子行業與半導體行業中的精密儀器、數控機床等。經過統計調查，我國各類電機中有80%以上為小型的異步電機，且由于設備陳舊，控制技術落后等原因，導致浪費的電能非常之多。故需要使用先進高效的電機裝置與驅動、調速控制方法來提高電動機效率，可節約電能與原材料，更加高效環保，對我國的可持續發展有重大意義。

異步電機與永磁電機基本的區別是性能和成本。目前異步電機的使用相對永磁電機來說更加廣泛。因為異步電機的使用環境通常對于未知調整與調速沒有精確的要求。典型的如眾所周知的通用電機。但是隨著生產要求的日漸提高，尤其是半導體以及其它精密產品生產的需求，永磁電機因其更小巧的體積、更高的效率性能及可控性強等優點，已經逐漸成為一種應用趨勢。

由于微處理器MCU技術和電力電子相關技術的更新換代，脈沖寬度調制（PWM）逆變器被廣泛地應用于電氣傳動系統領域中。在脈沖寬度調制控制策略中，SVPWM不同于傳統技術，它在算法和實現方式上做了特殊的優化，可以很大程度排除逆變器的輸出波形中的諧波成分，并且減少電機的能耗損失。因為在數字信號系統中便捷的實現方式，目前它已很好的代替傳統的SPWM技術。另一方面，為保證SVPWM控制策略的性能，單片的運行速度已經遠遠無法滿足，隨著人們對于高性能的數字處理芯片的需求，DSP的發展也得到了推進，DSP有著強大的運算性能，以及芯片內部集成功能的完整性。

DSP是一個集成在一個單芯片DSP電機控制電路的核心，大大降低了硬件成本和尺寸，使用方便。DSP相比于傳統單片機，其運算速度和處理性能是后者的數十倍，也就意味著可以在DSP中實現更加高級復雜的算法來實現控制，包括神經元控制、卡爾曼濾波、自適應控制、模糊控制等，很大程度上提高了系統的反應速度以及控制的精確度。DSP搭載的運動控制系統具有極其廣泛的使用范圍，將對各類電器乃至工業生產上的設備驅動起到導向性的作用，特別是在冰箱，洗衣機，空調等家用電器和工業變頻控制等方面。DSP控制器以其結構緊湊，使用方便，性能可靠，功能強，價格低廉等優點得到了眾多使用者的偏愛。

一般的電機控制能耗較大，應用傳統控制算法使得系統的反應速度較慢，控制精度有限，無法滿足實際需求。本發明針對伺服控制器中的軟件算法優化及逆變單元轉換速度、減少轉換能耗進行了分析研究，通過改進軟件算法，簡化了原有算法，節省芯片資源的占用，在計算步驟中巧妙省略了中間變量的調用，因此可以很大程度提高整個系統的運行效率和速度控制精度。通過這一軟件算法，基于DSP2812芯片對空間脈寬調制波實現了數字化控制，減小了對外圍器件的依賴，降低了成本，應用范圍廣泛，在交流電機的驅動控制中有著良好的發展前景。

技術實現要素：

本發明的目的是設計一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置，解決當前電機控制中能耗大，控制技術落后，系統反應速度慢與效率低的問題。

為了實現上述發明目的，本發明設計了硬件部分與軟件部分：

硬件部分：主要包括搭載DSP 2812芯片的控制板，光耦隔離模塊，功率板，光電編碼盤，交流電源，伺服電機，上位機。各模塊之間的連接關系為：功率板負責接收與執行控制命令，驅動電機，并反饋檢測信號給控制板，分別與控制板，交流電源模塊（通過光耦隔離模塊）和伺服電機相連。控制板通過產生空間矢量PWM波（SVPWM）、控制電機定子磁場的角度和幅度、完成A/D轉換與坐標變換等，發出PWM控制信號并通過光耦隔離模塊傳送至功率板，同時接收電機與功率板反饋的檢測信號來實現控制，并將測量數據上傳至上位機。功率板由交流電源模塊供電，接收到控制信號后通過功率開關器件驅動電機，并反饋信號給控制板，實現閉環控制。

所述DSP芯片為TMS320F2812，是電機控制專用芯片，可接收與存儲測量數據，完成測量數據的A/D轉換與坐標變換，接收并計算電機的位置與轉速，控制電機定子磁場的角度和幅度和產生SVPWM控制信號，與上位機進行通信。

所述光耦隔離模塊選用6N137系列隔離芯片，處理控制板上輸出的電信號來實現對功率開關器件的控制，進一步來驅動大功率電機。

所述功率板主要包括：與控制板連接的PWM接口，PWM隔離電路、故障信號接口、逆變模塊、整流模塊、電壓采樣模塊、A/D采樣模塊、開關電源、光電編碼盤、電流霍爾傳感器、采樣調理電路等等；其中功率板中逆變模塊通過PWM接口與隔離電路接收到PWM控制信號后來驅動功率開關器件來驅動電機，并通過電流霍爾傳感器、采樣調理電路與電壓采樣模塊采集相應輸出的電信號，送至控制板中，并通過A/D轉換模塊實現功率板中檢測信號的反饋。

所述交流電源供電模塊選用一塊TPS70151芯片，將5V輸入的電源穩壓出1.8V，3.3V的多路電源，并通過電感隔離成多路，以便給數字電路與模擬電路分別供電。

所述光電編碼盤采用歐姆龍公司的E6B2-CWZ3E型號光電編碼器，其輸出信號傳送至DSP內部自帶的QEP模塊，其中的兩路A、B輸出用于測速，來進一步控制電機的定子磁場。

所述伺服電機選用SM060R20B30MN型號，額定功率為200W，由功率板上的功率開關器件來驅動，并通過光電編碼盤將轉子的轉速與位置傳送至DSP芯片中的QEP模塊。

所述控制板與上位機的通信通過DSP芯片上的SCI模塊完成的，通信接口選用芯片MAX485構成通信模塊，將TTL電平轉換為RS－485電平，通過RS-485總線上傳至上位機。

軟件部分：本發明軟件編程實現都在CCCS5.5的平臺上完成，以實現電機控制所要實現的功能。本發明中程序主要解決以下幾個問題：

1.控制電機定子磁場的角度和幅度（SVPWM模塊）。控制伺服電機，程序的功能即如何產生和控制電機定子磁場的角度和幅度，能輸出任意角度和幅度的定子磁場，就有了控制電機的基礎。

2.通過光電編碼盤得到電機轉子的位置。電機編碼器輸出的是ABZ三相信號，DSP內部自帶有編碼器信號接口模塊QEP模塊，通過配置此模塊，可以將外部的AB信號進行計數，當前的計數值除以一圈的脈沖數就是轉子當前的角度，即可進一步去控制電機定子磁場的角度。

3.緩沖外部輸入信號。用戶設置的輸出，可能在瞬間從0突變到一個很大的值，電機忽然得到一個很高的電壓，但此時電機沒有轉起來，沒有反電勢，此時電流就會很大，達不到軟啟動的效果。此程序通過一個斜坡函數“Rmp_cntl”模塊，將輸入信號進行緩沖，達到軟啟動的效果。

4.通過測得的轉子位置運算成當前的速度。程序中通過一個固定的時間間隔1ms，測兩次轉子的位置，兩次轉子位置之差除以時間，即可得當前速度。

5.電機產生輸出力是轉子磁場和定子磁場作用的共同結果。讓電機旋轉，就要讓定子磁場在空間上超前或滯后轉子磁場90°，這個方向的力就是QS。若超前的不是90°而是其他角度，這個角度可以分解成一個垂直轉子磁場，和平行轉子磁場的力。垂直的產生力的輸出，平行的就能強化或弱化轉子磁場。一般情況是只輸出垂直轉子磁場的力，可保證發熱最小，效率最高。

根據SVPWM控制策略算法的推算，結合DSP2812的芯片特點，程序主要是初始化系統，包含的步驟有：初始化系統時鐘、關中斷與清除中斷標志、初始化中斷寄存器、初始化中斷向量表、將需要復制到RAM中的程序進行復制、初始化flash寄存器、初始化IO口、初始化EVA、初始化AD、初始化串口SCIB等等。

與現有技術相比，本發明的創新與益處在于：

1.一般的電機控制反應速度慢，控制精度有限，本發明改進了軟件算法，簡化了原有的傳統算法，在計算步驟中巧妙的省略了中間變量的調用，節省了芯片占用資源，可很大程度提高系統的運行效率與速度控制精度。

2.使用新型的高性能低功耗硬件，將軟件算法與DSP2812芯片結合，所設計的程序兼容性好，硬件系統減小了對外圍器件的依賴，成本低，應用范圍廣。

附圖說明

圖1是本發明所述一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置的硬件總體結構框圖。

圖2是本發明所述一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置的DSP外圍電路設計框圖。

圖3是本發明所述一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置的功率電路板設計框圖。

圖4是本發明所述一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置的軟件部分中系統初始化程序流程圖。

圖5是本發明所述一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置的軟件部分中QEP光電編碼盤與控制板SVPWM輸出模塊的程序流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

圖1所示為本發明所述一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置的硬件總體結構框圖，主要包括搭載DSP 2812芯片的控制板，光耦隔離模塊，功率板，光電編碼盤，交流電源，伺服電機，上位機。控制板中的DSP2812芯片可產生空間矢量PWM波（SVPWM）、控制電機定子磁場的角度和幅度、檢測電流環、完成A/D轉換與坐標變換等，輸出SVPWM信號并經光耦隔離模塊處理后轉換為可驅動功率開關器件的信號傳送至功率板，進一步來驅動電機旋轉。同時通過電流霍爾傳感器、電壓采樣模塊與采樣調理電路將功率板上輸出的電信號反饋給DSP芯片的A/D轉換模塊，通過光電編碼盤將電機的轉子數據反饋至DSP芯片的QEP模塊，形成閉環控制。DSP芯片通過SCI模塊與RS-485電路將測量與計算數據上傳至上位機進行顯示與監測。

所述DSP芯片為TMS320F2812，是電機控制專用芯片，可接收與存儲測量數據，完成測量數據的A/D轉換與坐標變換，接收并計算電機的位置與轉速，控制電機定子磁場的角度和幅度和產生SVPWM控制信號，與上位機進行通信。

所述光耦隔離模塊選用6N137系列隔離芯片，處理控制板上輸出的電信號來實現對功率開關器件的控制，進一步來驅動大功率電機。

所述功率板主要包括：與控制板連接的PWM接口，PWM隔離電路、故障信號接口、逆變模塊、整流模塊、電壓采樣模塊、A/D采樣模塊、開關電源、光電編碼盤、電流霍爾傳感器、采樣調理電路等等，由交流電源模塊進行供電；其中功率板中逆變模塊通過PWM接口與隔離電路接收到SVPWM控制信號后來驅動功率開關器件來驅動電機，并通過電流霍爾傳感器、采樣調理電路與電壓采樣模塊采集相應輸出的電信號，送至控制板中，并通過A/D轉換模塊實現功率板中檢測信號的反饋。

所述交流電源供電模塊選用一塊TPS70151芯片，將5V輸入的電源穩壓出1.8V，3.3V的多路電源，并通過電感隔離成多路，以便給數字電路與模擬電路分別供電。

所述光電編碼盤采用歐姆龍公司的E6B2-CWZ3E型號光電編碼器，其輸出信號傳送至DSP內部自帶的QEP模塊，其中的兩路A、B輸出用于測速，來進一步控制電機的定子磁場。

所述伺服電機選用SM060R20B30MN型號，額定功率為200W，由功率板上的功率開關器件來驅動，并通過光電編碼盤將轉子的轉速與位置傳送至DSP芯片中的QEP模塊。

所述控制板與上位機的通信通過DSP芯片上的SCI模塊完成的，通信接口選用芯片MAX485構成通信模塊，將TTL電平轉換為RS－485電平，通過RS-485總線上傳至上位機。

圖2所示為本發明所述一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置的DSP外圍電路設計框圖。主要含有：開關量輸入、開關量接口、SCI模塊，UART模塊、上位機、液晶顯示驅動模塊、電流環檢測模塊、eCAN模塊、外部中斷模塊、EEPROM、A/D轉換模塊等。DSP2812芯片及其外圍電路主要用來完成空間矢量控制系統中的A/D轉換、控制電機定子磁場的角度和幅度、檢測電流環等，再用空間矢量控制算法產生空間矢量PWM波（SVPWM）。

圖3所示為本發明所述一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置的功率電路板設計框圖。主要包括：與控制板連接的PWM接口、PWM隔離電路、故障信號接口、逆變模塊、整流模塊、電壓采樣模塊、A/D采樣模塊、開關電源、光電編碼盤、電流霍爾傳感器、采樣調理電路等。控制信號經由PWM接口與隔離電路送入逆變模塊來驅動功率開關器件，從而進一步驅動電機。由電流霍爾傳感器采集逆變模塊輸出的電流信號，經由采樣調理電路送入A/D采樣接口；采用電壓采樣模塊對直流電壓進行采樣并送入A/D采樣接口；使用位置傳感器采集電機轉子的速度與位置信息送入A/D采樣接口。逆變模塊會通過故障信號接口將故障信號反饋給控制板中的DSP芯片，對逆變模塊進行監測與保護。

圖4所示為本發明所述一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置的軟件部分中系統初始化程序流程圖。系統初始化流程圖也是系統的主程序，主要完成各種變量與寄存器的初始化。首先初始化系統時鐘，關掉中斷并清除中斷標志，初始化中斷控制寄存器與中斷向量表，將所需程序復制到RAM中，初始化flash寄存器、IO口，EVA、AD、串口SCIB，然后設置中斷服務程序入口地址，并使能定時器下溢中斷，開啟中斷并且允許全局中斷，隨后進入for循環，判斷定時時間是否大于10ms，若大于10ms，則更新數碼管上的顯示數據，若小于10ms，則判斷是否為使能運行，若是，則打開EVA，使能PWM輸出口控制信號，若否，則關閉EVA，禁止PWM輸出口控制信號，并結束for循環。

圖5所示為本發明所述一種基于DSP的SVPWM電機控制裝置的軟件部分中QEP光電編碼盤與控制板SVPWM輸出模塊的程序流程圖。首先開始設置定時器1的中斷服務程序，清除中斷標志，使計數變量增加1，并運行AD模塊讀取子程序，讀取hall信號；然后處理QEP模塊，讀取由光電編碼盤送進來的電機轉子的角度，判斷中斷支持是否超過20次，若超過，則通過角度增量來計算當前的轉子速度；若未超過，則判斷剛上電的hall模式是否為開環模式，若是，則將用戶設定的占空比Vq送入RMPCNTL斜坡產生模塊進行計算，并使用RMPCNTL斜坡產生模塊的輸出值與hall測得的轉子角度值先后輸入進IPARK變換模塊與SVGENDQ模塊，從而計算出三相占空比值TA、TB、TC，再根據三相占空比值改變當前PWM輸出控制信號。若不是開環模式，則需判斷編碼器是否為開環模式，若是，則將用戶設定的占空比Vq送入RMPCNTL斜坡產生模塊進行計算，并使用RMPCNTL斜坡產生模塊的輸出值與編碼器測得的轉子角度值先后輸入進IPARK變換模塊與SVGENDQ模塊，從而計算出三相占空比值TA、TB、TC，再根據三相占空比值改變當前PWM輸出控制信號；若不是，則剛上電hall工作模式應為開環模式，按前面所述步驟執行即可。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員參照上述實施例依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護范圍之內。