林立，吕金培，林敏之

（1．多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 邵阳 422000；2．邵阳学院电气工程学院，湖南 邵阳 422000；3．邵阳资水科技有限公司，湖南 邵阳 422000）

随着电力电子技术和稀土永磁材料的发展，永磁同步电机的发展及应用受到了高度重视，对其控制策略的研究也成为关注的重点[1]，永磁同步电机因其具有体积小、功率因数高、转动惯量低等优越性能逐渐在工业行业领域和日常生活中成为主流[2]。数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）具有实时性强、精度高、速度快、可扩展性强等优点[3]。本文设计实现了永磁同步电机直接转矩控制硬件在环实验平台，该平台以TMS320F28335 DSP核心板为核心，设计开发了整流、隔离驱动、检测、通信等硬件模块，实现了电机的直接转矩控制策略。该实验平台在科研过程中取得了良好的效果，为相关专业及科研人员提供了专业实践平台。

1 实验平台的结构与功能

永磁同步电机直接转矩控制硬件在环实验平台结构框图如图1所示。整个系统由上位机、控制器、传感器和主电路四个部分组成。上位机通过CH430转换芯片将USB转串口，实现与控制器的通讯；控制器采用TMS320F28335 DSP，本实验所使用到控制器外设主要有SCI串口通讯模块、ePWM脉冲发生模块、QEP光电编码器解码模块、AD模／数转换模块。传感器使用到了增量式光电编码器，其中电流传感器采集A、B两相电流信号经DSP28335的AD模块输入控制器内。主电路中主要包括直流电源，逆变器和驱动电机三部分。

图1 硬件连接图

1．1 上位机

上位机负责利用代码生成技术编写模块化程序，并利用串口与实验平台通讯，通过监控界面实现对电机运行状态的在线观测与实时控制。

1．2 控制器

本平台的核心控制器采用TMS320F28335芯片，该DSP芯片具备一个能够支持32位浮点运算的32位定点数字信号控制器，与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A／D转换更精确快速[4]。它采用内部1．9V供电，外部3．3V供电，且主频高达150MHz。DSP适用于电机控制的ePWM、eCAN、ADC、SCI和SPI等外设完成各自的功能与任务。

1．3 主电路

主电路中主要包括直流电源，逆变器和驱动电机三部分。其中驱动电机由永磁同步电机及负载电机组成，永磁同步电机参数如表1所示。负载电机及联轴器模块如图2所示。直流电机通过单独的电机驱动控制器进行控制，通过PWM占空比调速的方式，实现对负载直流电机扭矩的控制。

表1 永磁同步电机参数

图2 永磁电机与负载模块连接示意图

联轴器采用梅花联轴器，两侧轴径分别为8mm和14mm，分别连接直流电机输出轴及永磁电机输出轴，这样通过永磁电机——联轴器——直流电机相连的方式为永磁电机提供带负载模块。

永磁同步电机直接转矩控制硬件在环实验平台中整流滤波电路可接220V市电直接进行操作，但考虑到实验的安全性、可靠性及电源质量，故选择外接直流电源供电。

2 实验平台硬件电路设计

永磁同步电机直接转矩控制硬件在环实验平台控制功能全部由软件实现。硬件电路的设计主要包括：DSP最小系统、整流滤波电路、逆变驱动电路、电流检测电路、转速位置检测电路等。

2．1 DSP最小系统

DSP最小系统就是能够保证DSP可以正常工作的最少硬件构成。一个DSP最小系统包括DSP芯片本身、复位电路，时钟电路、电源变换电路、JTAG仿真接口等[5]；对于TMS320F28335 DSP，其具有片上Flash，0TPROM及SARAM存储器在设计最小应用系统时无需考虑外部存储器接口问题。

2．2 整流滤波电路

整流电路可分为不可控整流和可控整流，整流电路的主要作用是对交流进电进行整流，经滤波电路滤波后得到的直流电提供给控制电路和逆变器。本系统采用单相不可控桥式整流，其具有较大的纹波，所以需要选用较大幅值的滤波电容。滤波电容的功能主要有两点：一是过滤电压纹波，二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。加入滤波电路对整流电路输出进行滤波以保证能够得到较高质量的直流电流和电压提供给控制电源和逆变电路。

2．3 逆变驱动电路

电机控制的驱动器采用IR2110S芯片。IR2110S芯片通过控制6个IGBT的导通和关断顺序，从而达到控制电机转速和正反转的目的。

2．4 电流检测电路

由于电机绕组是对称的，所以只需通过霍尔电流传感器检测U、V两相电流。霍尔电流传感器检测到的电流经过比例放大，送到DSP的ADC引脚进行采样，以数字量代替模拟量，将其转换为U相与V相可检测的电压信号，同时为了防止输入模拟电压过高或过低以及消除电流反馈信号中的噪声信号，还需要加入模拟输入量的滤波和限幅环节。

2．5 转速和位置检测电路

采用M法测速，由于作为被控对象的永磁同步电机自带增量式编码器，其输出A、B、Z、U、V、W 6路差分信号，加上2路电源共14条线，取A、B、Z 3路差分信号及2路电源通过YXQJ－5VBMQ编码器转换模块转换为QEP正交编码器A、B、I、5V电源及地，5根线接入DSP的QEP相应接口。

3 实验平台软件设计

实验平台软件设计由DSP主程序和上位机监控界面程序组成。

3．1 DSP主程序设计

主程序流程图如图3所示。主程序先进行初始化，初始化包括看门狗电路的设置，CPU级中断屏蔽寄存器的设置；然后关总中断；接着进行PIE控制寄存器、PIE矢量表、GPIO寄存器、SCIB寄存器、事件管理器EV的初始化；设置CPU定时器；在完成所有的初始化工作后，完成中断服务入口地址的设置后开总中断，等待循环。

图3 主程序流程图

永磁同步电机直接转矩控制系统主程序如图4所示。DSP主程序通过代码生成功能将其转化为C代码程序，运行在CCS软件开发平台下通过该实验平台控制实验电机。控制程序由中断向量表、PWM中断服务函数、QEP中断服务函数、串口接收模块和串口发送模块组成，其中中断服务程序是本程序中最主要的子程序，转速闭环程序与电流采集程序在PWM中断服务函数中，并经一系列计算后由ePWM模块发出脉冲，转速采集程序在QEP中断服务函数中。

图4 DSP控制程序

PWM中断服务函数中，ADC模块采集电流传感器输出信号，经过数字量转化程序，输出实际的三相电流，三相电流经过坐标变换得到励磁电流与转矩电流，计算得出磁链和转矩送往相应调节器进行内环控制，转速外环通过采集转速进行PI调节后输出给定转矩。然后进行SVPWM控制，得到三路调制波变量送往PWM模块，PWM设置成死区互补输出，从而完成六路开关信号的生成。

QEP中断服务函数中，eQEP模块为DSP28335的转速采集模块，该程序原理是采用单位时间内收集脉冲个数来进行转速计算。

3.2 上位机监控界面设计

本实验平台的上位机监控界面程序采用LabVIEW设计，其功能为建立上、下位机的通讯和数据传输。串行口中断设计功能是与PC机交换数据，实现界面显示和参数变量在线修改。

其监控界面如图5所示。上位机界面主要由通讯设置、参数调节、启停开关、波形显示等四部分组成。其功能为可同时显示六通道波形，可以用波形图表的形式动态显示采取的数据，包含了转速采样、相电流采样等。并可根据需求，更改数据幅值显示范围。DSP控制板内存变量的在线修改：以实现电机控制的各种给定量的在线设定、电机控制调节器参数的调整、电机的运行控制等。

图5 PC机端监控界面

4 实验结果

为验证开发平台的实用性，在开发的实验平台上进行永磁同步电机直接转矩控制策略研究，试验条件和参数设置情况都和仿真保持一致。将永磁同步电机直接转矩控制系统的仿真模型，通过代码生成功能将其转化为C代码程序，运行在CCS软件开发平台下通过该实验平台控制实验电机。实验结果如图6所示，结果表明本硬件电路设计能够较好地满足实验要求。

图6 直接转矩控制策略实验结果

5 结论

本文设计并实现了以TMS320F28335为控制器的永磁同步电机直接转矩控制硬件在环实验平台。本实验平台采用基于TMS320F28335 DSP和MATLAB的快速控制原型开发系统，可以直接在MATLAB/Simulink上进行控制算法的设计和研究，然后自动生成控制代码来控制电机运行。该实验平台可以提供电机转子位置检测、电流采样、光电编码器测速、快速原型开发、驱动控制器设计等多种类型的实验，具有较高的开发性、多功能性、易于连线和调试等特点。实验平台具有良好的可扩展性，对永磁同步电机控制系统相关领域的科研探索有很好的借鉴意义。