基于DSP&IPM的电脑平缝机低成本PMSM控制系统的研究

基于DSP&IPM的电脑平缝机低成本PMSM控制系统的研究

宋海燕，陈康

(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350002)

摘要：为了降低电脑平缝机控制系统的成本，提高控制系统性能，提出无光耦隔离驱动方式、分块供电模式和采集模块高

速光耦隔离防护措施，利用SVPWM矢量控制策略与PI调节器，并加入抗积分饱和与死区补偿策略，以提高系统的准确性和稳 定性。基于

32位浮点型DSP和IPM智能功率模块完成了一套高集成、低成本的全数字化电脑平缝机控制系统。系统测试结果

表明，在调速范围、响应速度和控制精度等方面均满足工业要求。

关键词：电脑平缝机;低成本；DSP&IPM %空间矢量控制；全数字化控制中图分类号：TM341; TM301.2

文献标识码：A

D0I： 10. 19358/j. issn. 1674-7720.2017.23.002

引用格式：宋海燕，陈康.基于DSP&IPM的电脑平缝机低成本PMSM控制系统的研究[J].微型机与应用，2017,36(23):5-8,20.

Research on low cost PMSM control system of computer lockstitch based on

Song Haiyan， Chen Kang

(College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou 350002， China)

Abstract: In order to reduce the cost of the control system of the computer rewing machine and improve the performance of the control system，it is proposed that the optocoupler isolation

drive

mode，the independent

power supply mode and

the

acquisition

isolation protection measures. In this paper， SVPWM vector control strategy and PI regulator are used， and the anti - integral saturation anddead zone compensation

strategy

are

added

to

improve the

accuracy and stability

of the system.

Base

telligent power module to complete a set of highly integrated， low-cost， all-digital computer sewing machine control system. The test resultsshow that the speed range， response speed， control accuracy and so on can meet the industrial requirements.Key words ： computer

sewing machine；

low

cost ； DSP&IPM ； space

vector

control； full

digital

control

〇引言

随着我国对稀土材料的大力开发，以及永磁同步电机 (PMSM)自身的低成本、小体积、动态性能好等优点，使

PMSM在工业生产中得到了广泛应用，并且，与异步电机

度。实验结果表明，该控制系统在调速范围和动态性能参 数等方面满足系统指标，运行可靠。1

矢量控制系统

为了解除PMSM本身的强耦合性，采用等效直流电机

相比，P M SM更容易实现先进的控制算法，可以简化控制 流程，提高交流伺服系统的控制性能。所以，电脑缝纫机 的执行装置正朝着PMSM的全数字化控制系统的方向发 展[1]。而随着数字化、集成化、电力电子等技术的不断提 高，用户对控制系统的性能和体积提出了更高的要求，同 时，由于电脑平缝机市场竞争日益剧烈，所以如何降低成 本成为了最大的研究热点。

在研究分析了电脑平缝机及PMSM结构原理的基础 上，考虑到用户对控制系统性能及成本的要求，本文研究 开发了一套基于DSP28335和IPM智能功率模块的高集 成化全数字控制系统。利用SVPWM控制方法实现电压 型矢量控制系统的设计，并结合双闭环PI调节与SVPWM 死区补偿，提高了系统可靠性。通过对实际应用分析、硬 件电路及元件原理分析，采用无光耦隔离驱动的方案，在 改善控制精度的同时降低了硬件成本，提高了系统集成

控制思想，考虑简化控制算法和硬件成本，本文采用空间 矢量控制策略。根据PMSM的结构原理，依据PMSM的解 析模型，在忽略铁芯饱和效应和不计涡流和磁滞损耗等因 素的前提下，利用坐标矢量变换，得到PMSM在！、\"旋转 坐标系下的电压方程矩阵（1)和电磁转矩方程矩阵（2 )， 进而建立PMSM的数学模型。

_

「1=

d)

_

[■+[ 0 l

⑴

-m =夺.[\"■ + ((! -(,)■,] ⑵

其中，#!与分别为！、\"轴定子电压；—m为电磁转矩;％ 为定子绕组的电阻;与为！、\"轴定子等效电感；！为 转子角速度；■与■分别是矢量合成在！、\"轴定子电流； #为转子永磁磁链；.为电机极对数。

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分析永磁同步电机的数学模型后，为了解除其强耦合 性和非线性，采用直轴电枢电流）=〇的控制策略%2]，即 式（2)可简化为式（3):

-G $

! 3)

其中，控制电路以32位浮点型DSP28335为控制核心， 其具有 150 MHz 主频、256 KB x 16 片上 Flash 和 34 KB x 16

SRAM储存空间[4]，提高了运算速度，使系统的实时性得

到大幅度提升，并为系统存储提供了足够的Flash空间， 缩减了硬件体积。并且，DSP28335自身具有丰富的函数 库，为SVPWM的三角函数运算提供方便。因此，可以很 好地缩短代码长度，提高控制系统实时性，进而提升了高 频通断器件的稳定性。利用其产生的六路PWM驱动信 号，完成对驱动模块的控制；检测保护电路包括:相电流检 测、直流母线电压检测、速位检测以及故障信号检测与处 理电路，考虑系统成本与体积要求，进行了电源模块一体 化设计。21

电源模块

考虑到工业成本和集成度的要求，本文摒弃稳压电源 供电方案，在控制板上，直接将用户220 V电压，通过不同 的电源转换电路，实现电源一体化，既缩小了控制系统体 积和降低了开发成本，也更加方便和通用。为了杜绝同一

PCB板上强弱电间的干扰，本系统采用强弱电隔离供

由于简化后的电机电磁转矩与交轴电流）呈线性关 系，从而提高了控制输出转矩的性能，且消除了退磁现象， 减少了维修成本，提高了伺服系统的性价比。

针对PMSM的SVPWM算法的特点，为了提高控制精 度和可靠性，本文采用双闭环PI调节和SVPWM死区补 偿策略[3]，对PMSM实施如图1所示的矢量控制。

图1 PMSM矢量控制系统结构图

通过）=〇策略，更好地简化了控制算法，提高了系 统的实时性，而\"轴电流的给定值，则通过将给定转速与 实际转速做差后经过PI调节获取。将电流传感器检测的 三相电流，通过坐标变换后得到！、\"轴的实际电流值，给 定值与实际值的差值再经PI调节以得到！、\"轴的定子电 压给定值。最后，利用坐标变换，确定七段式SVPWM算 法所需的#$和#%，通过#$、#%在矢量空间的分量，确定合 成电压矢量所在的扇区，并计算出对应扇区内，相邻两电压矢量以及零矢量的作用时 间，从而输出PWM信号对功率 开关器件实施控制，完成对电 机的矢量控制。2

系统硬件设计

依据上述控制原理和

PMSM控制系统性能要求，本

电的措施，杜绝了强弱电联通对处理器等元件的损坏。

基于对DSP、IPM模块和传感器等元件电压的需求分 析，利用变压器产生隔离的双路AC1) V电压，一路经整 流滤波后，利用LM7815产生e 15 V电压专供IPM驱动电 源，另一路利用LM7805与LM1117-3. 3产生e 5 V和

e31 V电压供DSP与霍尔元件等使用，系统一体化电源

电路原理如图3所示。

节进行了整体的硬件系统设 计，主要包括控制电路、驱动电 路和检测保护电路3个部分。 如图2所示。

整流模块

图3 电源模块电路原理图

21驱动模块

为缩短产品开发时间，提高系统集成度和降 低因电机故障而带来的逆变模块的损坏，本文选

电压检测

相电流检测

光电编码器

用三菱第五代IPM智能模块PS21563来代替传统 的IGBT。IPM具有开关速度快、功耗低和可靠性 高等特点，并且内置多种保护电路，且具有故障诊 断处理功能，极大地降低了因故障带来的其他损

[W：

TMS320F28335

通信口

LCD

图2 PMSM矢量控制硬件系统框图

控制信号

失和缩小了 PCB体积。在PWM驱动电路中，光耦 隔离中光耦是电流驱动型，需要足够大的电流才

6《微型机与应用》2017年第36卷第23期

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能使发光二极管导通，如果输入信号太小，发光二极管不 会导通，其输出信号将非线性失真[5]，且输入输出信号间 有延时的缺陷，所以，本文提出采用无光耦隔离驱动输出， 利用电容及二极管对驱动信号进行处理，使系统在控制精 度上得到提高，并考虑IPM驱动电源问题，采用自举电路 提供4路+ 15 V电压，如图4所示。

图6 IPM故障硬件处理电路原理图

故障发生后以最短时间停止运行，本文利用74HC245三 态收发器的使能位设计硬件处理单元，可以快速停止

PMM信号的输出，如图6所示。

21速度位置检测

根据工业缝纫机± 2°机械角精度要求，本文采用 2500PPR、4倍频的增量式光电编码器，对电机进行速度检 测，完全符合工业要求，且成本相对于高精度编码器较低， 易于接线维护。将光电编码器的两路正交脉冲输出经三

极管放大，并隔离处理后输入到DSP28335的EQEP1和

EQEP2引脚上，降低了强弱电的干扰。为了获得更精准

的控制性能，本文考虑电脑平缝机的运行特点，利用M/T

2.3相电流检测

针对矢量控制算法的需求，本文对直流母线电压和三 相电流进行在线监测。由于TMS320F28335自带12位采 样精度的AD模块，并且在传统芯片的基础上，提高了系 统采样基准，进而降低了增益误差，且能够自行纠正偏置 误差，为电脑平缝机的高精度要求提供了保障。所以，对 于相电流的检测，通过对比各种元件性能、成本和体积等 因素，本系统采用中霍的电压型闭环霍尔电流传感器，其 所需电源电压为+3.3 V，且响应快、带宽大。U相电流检 测电路如图5所示。

算法进行速度测算。M/T算法兼具M法和T法两者之 长%6 8 ]，可同时测量检测时间和该时间内产生的脉冲数以 确定转速。其中，计算公式如下：

/ $ 600110/(302)

(4)

由于DSP28335可同时进行位置计数和捕获，弥补了 传统控制芯片在使用EQP功能时，CAP单元被禁止的缺 点，所以，该设计简化了软件算法处理，提高了系统时效 性，使整个系统的控制精度得到了极大提高。3

系统软件设计

依据前文的控制方案，结合数字式控制系统DSP的 设计理念，实施了控制系统软件的设计。由于本系统选用

TMS320F28335作为控制核心，其独具的浮点运算、EQEP

模块和高精度AD等特点，大大简化了软件程序的设计。 所以，针对该系统的控制程序，从主程序和中断程序两部 分出发，降低了程序的复杂性，更利于系统的调试和用户 的读取。软件设计程序流程如图7所示，包括主程序、矢

TBC06DS3V3

图5 U相电流检测电路原理图

量控制中断程序和故障中断程序。

其中，主程序主要完成系统初始化、外设模块初始化、

考虑片内AD模块的输入电压范围为0〜3 V，本 文通过软件处理，将各个采样信号调节在AD的范围 内，供AD采样数据处理，完成对相电流和直流母线电 压的检测。这样不仅降低了开发成本，还降低了干 扰，提高了系统的可靠性。2.4故障检测与处理

为了降低故障损失，本文充分利用了 0M模块自 带的故障保护特点，通过IPMj障输出F0和

DSP28335自带故障中断处理引脚T16,进行了系统故

障提示和双路保护设计。当故障发生时，0M模块的

F0端口输出为低电平，触发DSP产生故障中断，终止 PWM的输出，并触发故障指示灯发出故障警示，实现

软件保护和故障提示。为了降低工业损失，使电机在

图7软件设计程序流程图

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故障判断和主循环等待中断等；矢量控制程序主要完成 SVPMM驱动信号的生成，包括直流母线电压、相电流的 采样和速度位置的检测；中断处理主要完成各中断的相应 功能，例如故障处理、通信调试。4 系统测试与分析

本文测试电机由厂家提供，具体参数:额定电压4N =

220 V

测，如图9所示。

，额定功率.N =750 M，额定转速/N =4 500 r/min，额

11A

定电流/N=，额定转矩^N=2.3

9N

*m，极对数i9=2。

、

考虑电脑平缝机的实际需求，测定了不同转速给定下 的稳态性能，如图8所示。即在稳态下，对

2 000 /min、3 000 /min

1 000 /min

和 4

500 /min

进行响应跟踪。

通过数据可知，电机响应达到给定之后，会有细微波动，且 随着给定转速的增大波动增大，但在最高速度时其超调仍 小于5

i

，完全满足工业要求。

5

由以上实验数据可知，该控制系统动态响应快，在达 到给定速度后，电机电流响应平滑，因而稳定性较好。

结论

根据工业经济发展要求，在分析了 PMSM特点与

SVPMM矢量控制系统的基础上，本IPM

文利用DSP28335和

智能功率模块为控制系统骨架，实现了数字化、一体

化的电脑平缝机控制系统，并通过对元件的合理选用，降 低了控制板硬件的干扰与成本，同时，降低了控制系统的 算法复杂度。最后通过PCB制作，完成硬件系统，利用

CCS6.0平台进行实验测试，证明了本系统在稳定性、准确

图8稳态转速跟踪曲线

性和快速性上都能很好地达到工业实际要求，因此，本文 研究开发的电脑平缝机控制系统平台具有极高的性价比， 符合工业经济的发展需求。

&下转第2

0

为了测试系统控制性能，考虑实际主要应用速度范 围，本文对启动至3 000 /m

in

时的U、V相电流进行了检

页）

&上接第4页）

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(收稿日期：2017-05-09)

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(收稿日期 $2017-09-10)

作者简介：李超（1979 -网络安全。

蔡宇晴（

)

，男，博士，副研究员，主要研究方向$信息与 ，女，硕士，工程师，主要研究方向$信息与

1993 -)

网络安全。

贾凡（1,76-)，男，博士，副教授，主要研究方向：信息与网 络安全。

20《微型机与应用》2017年第36卷第23期