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DSP在电机控制系统中的应用
 

2电机控制系统的分析电机控制系统包括电机、数字控制系统、电力电子部件三个部分。通过A/D转换接口将传感器测得的电气参数(电压、电流)和机械参数(速度、位置)送入微处理器。微处理器通过D/A接口和驱动器件来控制电机运动,或者直接控制开关元件来控制电机运动。对于复杂的系统,输入的模拟量可能有更多,需要同时控制的输出量(如转矩、电流等)会增多,这要求处理器有较高的处理速度和采样速度。

  现代电机从直流调速到交流调速的理论层出不穷,从简单PID控制,到自适应控制、最优控制、容错控制和神经网络模糊控制等。无速度传感器控制系统的实现减少了硬件设备,节约了成本,增加了系统的功能。

  采用全数字控制方式的电机控制系统,直接控制功率开关元件的开关,其开关命令依据控制理论的不间而不同。如交流电机采用的PWM控制,通过软、硬件发出开关信号。随后出现的SPWM(正弦波PWM)和(电压空间矢量控制)电动机不但吸收电网中滞后的无功功率,而且还向电网注入谐波功率成分,从而加剧了电能质量的恶化。

  因此,为了提高电动机起动性能,一方面要改善电机设计,改进起动方法,降低谐波转矩对电动机起动的影响,更重要的是通过改善电网电能质量,建设绿色电网,从而减少因电网谐波的存在而引起的其它故障。

  刘利宏男36岁讲师SVPWM以及矢量控制、直接转矩控制等,其最终都是产生一系列高低不同脉宽不同的脉冲列来控制电机的运行。

  3DSP芯片的特点DSP芯片,也称数字信号处理器,与其它通用的处理器不同,其特点是:内部采用程序和数据空间分开的哈佛结构;一个指令周期可完成一次乘法和一次加法;片内具有快速的RAM,通常可通过独立的数据总线同时访问数据空间和程序空间;快速的中断处理和硬件I/O支持;可并行执行多个操作;流水线操作等。它是一种特别适合进行数字信号处理运算的微处理器。

  提供DSP芯片产品的有美国的T1公司、AD公司、ATT公司和Motorola公司等。其中TI公司的DSP芯片占DSP芯片市场的50%,本文介绍TI公司的DSP产品。

  浮点DSP采用的浮点格式不同。

  芯片,包括TMS320C20X、TMS320C24X两个系列。TMS320C24X系列是专为数字电机控制(DMC)而设计的。它将DSP内核和丰富的微控制器外设功能基于单片之中。成为传统多微处理器单元(MCU)和昂贵的多片设计的替代。其16位定点DSP内核提供了数字解决方案,采用自适应控制、卡尔曼滤波、矢量控制、直接转矩控制等先进控制算法,加强了系统的算法。高速的CPU允许设计者实时处理算法,不需要采用表法来获得近似的结构。T1公司提供不同的资源配置的芯片。TMS320C24X有强大的外设功能,包括:定时器、串行接口(SCI、SPI)、模糊转换器(ADC)、事件管理器、系统保护(低压检测、看门狗)等。C24X执行速度达20MIPS,几乎所有的指令都可以在50ns完成,如此高的性能足以保证非常复杂的算法的实时运算。此外,支持高的采样率,减小了循环延时。C24X内部的事件管理器与其它的DSP不同,可以为所有的电机类型提供高速、高效、和全变速的先进控制技术。它含有特殊的PWM产生功能,特殊的附加功能(可编程的死区功能和空间矢量PWM状态机,后者可为三相电机在功率开关元件开关机制中提供SVPWM信号)。3个独立的向上/向下计数器,有各自的比较器,可以产生非对称和对称的PWM波。四路捕获输入中的两路可以直接连至光电编码器的正交编码脉冲信号。而模拟器件由于以硬件作为解决方案,存在老化、部件兼容、漂移等因素,性能反而下降。

  16KX16位片内程序ROM或Flash,最大的寻址范围是224KX16位四级流水线结构,八级硬件堆栈9路独立,3个具有死区功能的全比较器4基于DSP的电机控制方式DSP控制电机的方法很多,大致分为以下三类,下面以每个类型给出一个典型的例子加以介绍。

  4.1单DSP系统目前利用DSP来实现复杂控制算法的应用很多。如无速度感器的矢量控制、直接转矩控制等。的系统框图如下。它采用基于DSP的矢量控制方法来控制交流异步电机。其原理是利用坐标变换将电机的三相坐标等效为两相系统,经过按转子磁场定向的旋转变换实现对定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦,达到分别有速度传感器矢量控制系统控制交流电机磁链和电流的目的。系统充分利用了DSP的高速运算能力和丰富的外设资源,实验结果表明系统精度高,动态响应快。

  4.2双DSP系统流和逆变器采用PWM控制,但电机采用的是恒压频比控制,可进一步改进。本文作者提出DSP系统,其一用于控制整流逆变器,另一个采用直接转矩的方法控制电机将有更快的响应速度,更高的精度。二者之间可以SCI通讯端口连接,系统框图见。这样减小了谐波污染,提高了变频器的控制性能。

  4.3DSP与PC组合系统高速DSP控制的主从式处理器系统。

  盘机高速数字伺服控制应用为目标的通用系统。DSP作为系统的快速处理的执行者,以尽量快的速度完成算法的实现。它由个人计算机(PC)、高性能DSP(TMS320C50)、64K字的程序存储器和64K字的数据存储器组成。采用共享存储器的方式构成PC-DSP多处理器系统。系统不仅提供了一个完整的硬件环境,以实时运行一个真正的数字控制,而且实现各种先进的控制规律,如在设计控制器由于系统的高速数字控制能力,通过S域的变换,模拟控制器也能在其上应用、重构和评价。

  PC-DSP控制系统框展望电机控制发展的趋势是将电机、功率变换器、控制系统集成在一起。成为结构紧凑的机电一体化产品。相信这一点会随着电气元件尺寸的逐步减小而实现。同时它控制单元的芯片要有非常高的运算速度。大的RAM或者ROM容量、更多的外围设备(特别是A/D和D/A输入和输出)。

  流感应电机、直流永磁电机和开关磁阻电机以及多电机控制系统等,它支持先进算法的同时,控制功率开关转换器。相信随着DSP应用领域的拓宽,电机控制必将走上新的台阶。

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