一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的设计制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，包括搭载DSP2812芯片的控制板，光耦隔离模块，功率板，光电编码盘，交流电源模块，伺服电机，上位机。各模块之间的连接关系为：功率板是控制命令执行体，分别与控制板（通过光耦隔离模块），交流电源模块和伺服电机相连；控制板发出PWM控制信号，经光耦隔离模块处理后送至功率板，并实时接收由光电编码盘测得的电机转子测量数据；功率板由交流电源模块供电，收到控制信号后通过其上的功率开关器件实现对电机的控制，并反馈检测信号给控制板，实现闭环控制，数据上传至上位机监测。本发明专利技术使用新型高性能低功耗的硬件系统，程序兼容性好，外围器件少，成本低，算法简单，提高了系统的运行效率和速度控制精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的设计
本专利技术属于电力系统领域，具体涉及一种基于DSP的SVPWM电机控制装置的设计。
技术介绍
电动机可将电能转换成机械能，广泛的应用于生活的各个领域中。电机传动控制中电机的驱动与调速控制占据着重要地位。电机正在驱动不同类型设备产业的发展，包括重工业机械设备如钢铁行业、造纸行业中的轧钢机，还有微电子行业与半导体行业中的精密仪器、数控机床等。经过统计调查，我国各类电机中有80%以上为小型的异步电机，且由于设备陈旧，控制技术落后等原因，导致浪费的电能非常之多。故需要使用先进高效的电机装置与驱动、调速控制方法来提高电动机效率，可节约电能与原材料，更加高效环保，对我国的可持续发展有重大意义。异步电机与永磁电机基本的区别是性能和成本。目前异步电机的使用相对永磁电机来说更加广泛。因为异步电机的使用环境通常对于未知调整与调速没有精确的要求。典型的如众所周知的通用电机。但是随着生产要求的日渐提高，尤其是半导体以及其它精密产品生产的需求，永磁电机因其更小巧的体积、更高的效率性能及可控性强等优点，已经逐渐成为一种应用趋势。由于微处理器MCU技术和电力电子相关技术的更新换代，脉冲宽度调制（PWM）逆变器被广泛地应用于电气传动系统领域中。在脉冲宽度调制控制策略中，SVPWM不同于传统技术，它在算法和实现方式上做了特殊的优化，可以很大程度排除逆变器的输出波形中的谐波成分，并且减少电机的能耗损失。因为在数字信号系统中便捷的实现方式，目前它已很好的代替传统的SPWM技术。另一方面，为保证SVPWM控制策略的性能，单片的运行速度已经远远无法满足，随着人们对于高性能的数字处理芯片的需求，DSP的发展也得到了推进，DSP有着强大的运算性能，以及芯片内部集成功能的完整性。DSP是一个集成在一个单芯片DSP电机控制电路的核心，大大降低了硬件成本和尺寸，使用方便。DSP相比于传统单片机，其运算速度和处理性能是后者的数十倍，也就意味着可以在DSP中实现更加高级复杂的算法来实现控制，包括神经元控制、卡尔曼滤波、自适应控制、模糊控制等，很大程度上提高了系统的反应速度以及控制的精确度。DSP搭载的运动控制系统具有极其广泛的使用范围，将对各类电器乃至工业生产上的设备驱动起到导向性的作用，特别是在冰箱，洗衣机，空调等家用电器和工业变频控制等方面。DSP控制器以其结构紧凑，使用方便，性能可靠，功能强，价格低廉等优点得到了众多使用者的偏爱。一般的电机控制能耗较大，应用传统控制算法使得系统的反应速度较慢，控制精度有限，无法满足实际需求。本专利技术针对伺服控制器中的软件算法优化及逆变单元转换速度、减少转换能耗进行了分析研究，通过改进软件算法，简化了原有算法，节省芯片资源的占用，在计算步骤中巧妙省略了中间变量的调用，因此可以很大程度提高整个系统的运行效率和速度控制精度。通过这一软件算法，基于DSP2812芯片对空间脉宽调制波实现了数字化控制，减小了对外围器件的依赖，降低了成本，应用范围广泛，在交流电机的驱动控制中有着良好的发展前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，解决当前电机控制中能耗大，控制技术落后，系统反应速度慢与效率低的问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术设计了硬件部分与软件部分：硬件部分：主要包括搭载DSP2812芯片的控制板，光耦隔离模块，功率板，光电编码盘，交流电源，伺服电机，上位机。各模块之间的连接关系为：功率板负责接收与执行控制命令，驱动电机，并反馈检测信号给控制板，分别与控制板，交流电源模块（通过光耦隔离模块）和伺服电机相连。控制板通过产生空间矢量PWM波（SVPWM）、控制电机定子磁场的角度和幅度、完成A/D转换与坐标变换等，发出PWM控制信号并通过光耦隔离模块传送至功率板，同时接收电机与功率板反馈的检测信号来实现控制，并将测量数据上传至上位机。功率板由交流电源模块供电，接收到控制信号后通过功率开关器件驱动电机，并反馈信号给控制板，实现闭环控制。所述DSP芯片为TMS320F2812，是电机控制专用芯片，可接收与存储测量数据，完成测量数据的A/D转换与坐标变换，接收并计算电机的位置与转速，控制电机定子磁场的角度和幅度和产生SVPWM控制信号，与上位机进行通信。所述光耦隔离模块选用6N137系列隔离芯片，处理控制板上输出的电信号来实现对功率开关器件的控制，进一步来驱动大功率电机。所述功率板主要包括：与控制板连接的PWM接口，PWM隔离电路、故障信号接口、逆变模块、整流模块、电压采样模块、A/D采样模块、开关电源、光电编码盘、电流霍尔传感器、采样调理电路等等；其中功率板中逆变模块通过PWM接口与隔离电路接收到PWM控制信号后来驱动功率开关器件来驱动电机，并通过电流霍尔传感器、采样调理电路与电压采样模块采集相应输出的电信号，送至控制板中，并通过A/D转换模块实现功率板中检测信号的反馈。所述交流电源供电模块选用一块TPS70151芯片，将5V输入的电源稳压出1.8V，3.3V的多路电源，并通过电感隔离成多路，以便给数字电路与模拟电路分别供电。所述光电编码盘采用欧姆龙公司的E6B2-CWZ3E型号光电编码器，其输出信号传送至DSP内部自带的QEP模块，其中的两路A、B输出用于测速，来进一步控制电机的定子磁场。所述伺服电机选用SM060R20B30MN型号，额定功率为200W，由功率板上的功率开关器件来驱动，并通过光电编码盘将转子的转速与位置传送至DSP芯片中的QEP模块。所述控制板与上位机的通信通过DSP芯片上的SCI模块完成的，通信接口选用芯片MAX485构成通信模块，将TTL电平转换为RS－485电平，通过RS-485总线上传至上位机。软件部分：本专利技术软件编程实现都在CCCS5.5的平台上完成，以实现电机控制所要实现的功能。本专利技术中程序主要解决以下几个问题：1.控制电机定子磁场的角度和幅度（SVPWM模块）。控制伺服电机，程序的功能即如何产生和控制电机定子磁场的角度和幅度，能输出任意角度和幅度的定子磁场，就有了控制电机的基础。2.通过光电编码盘得到电机转子的位置。电机编码器输出的是ABZ三相信号，DSP内部自带有编码器信号接口模块QEP模块，通过配置此模块，可以将外部的AB信号进行计数，当前的计数值除以一圈的脉冲数就是转子当前的角度，即可进一步去控制电机定子磁场的角度。3.缓冲外部输入信号。用户设置的输出，可能在瞬间从0突变到一个很大的值，电机忽然得到一个很高的电压，但此时电机没有转起来，没有反电势，此时电流就会很大，达不到软启动的效果。此程序通过一个斜坡函数“Rmp_cntl”模块，将输入信号进行缓冲，达到软启动的效果。4.通过测得的转子位置运算成当前的速度。程序中通过一个固定的时间间隔1ms，测两次转子的位置，两次转子位置之差除以时间，即可得当前速度。5.电机产生输出力是转子磁场和定子磁场作用的共同结果。让电机旋转，就要让定子磁场在空间上超前或滞后转子磁场90°，这个方向的力就是QS。若超前的不是90°而是其他角度，这个角度可以分解成一个垂直转子磁场，和平行转子磁场的力。垂直的产生力的输出，平行的就能强化或弱化转子磁场。一般情况是只输出垂直转子磁场的力，可保证发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征是所述装置包括搭载DSP芯片TMS320F2812的控制板，光耦隔离模块，功率板，光电编码盘，交流电源，伺服电机，上位机；各模块之间的连接关系为：功率板负责控制命令的接收与执行、检测信号的反馈，分别与控制板（通过光耦隔离模块），交流电源模块和伺服电机相连；控制板以DSP2812芯片为核心，实现空间矢量PWM波（SVPWM）的产生、对电流环的检测、对电机定子磁场的角度和幅度的控制、A/D转换与坐标变换等，并发出PWM控制信号，通过光耦隔离模块处理后发送给功率板，实时接收由光电编码盘测得的电机转子测量数据；功率板由交流电源模块供电，接收到PWM控制信号后，通过功率板上的功率开关器件实现对电机的控制，同时反馈检测信号给控制板，实现闭环控制；测量数据均通过控制板上的通讯模块上传到上位机进行监测。

【技术特征摘要】
1.一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征是所述装置包括搭载DSP芯片TMS320F2812的控制板，光耦隔离模块，功率板，光电编码盘，交流电源，伺服电机，上位机；各模块之间的连接关系为：功率板负责控制命令的接收与执行、检测信号的反馈，分别与控制板（通过光耦隔离模块），交流电源模块和伺服电机相连；控制板以DSP2812芯片为核心，实现空间矢量PWM波（SVPWM）的产生、对电流环的检测、对电机定子磁场的角度和幅度的控制、A/D转换与坐标变换等，并发出PWM控制信号，通过光耦隔离模块处理后发送给功率板，实时接收由光电编码盘测得的电机转子测量数据；功率板由交流电源模块供电，接收到PWM控制信号后，通过功率板上的功率开关器件实现对电机的控制，同时反馈检测信号给控制板，实现闭环控制；测量数据均通过控制板上的通讯模块上传到上位机进行监测。2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：所用的DSP控制芯片采用TI公司生产的基于代码兼容的TMS320C28+内核的高性能32位定点数字信号处理器TMS320F2812作为控制核心。3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：DSP2812芯片的程序烧录、调试与仿真都是通过JTAG接口来进行的。4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：交流电源选用一块TPS70151芯片，将5V输入的电源稳压出1.8V，3.3V的多路电源，并通过电感隔离成多路，以便给数字电路与模拟电路分别供电。5.根据权利要求1所述的一种基于DSP的SVPWM电机控制装置，其特征在于：主控计算机和DSP之间通过CAN总线来传递数据，外围电路中设计了CAN总...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹昉，刘畅，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11