dsp电机控制程序讲解（dsp电机控制基础pdf）

变速电机控制系统的应用范围很广，从高端工业机器人到家用洗衣机等常见家用电器。这些系统中的控制回路首先使用模拟组件来实现。通常，运算放大器用于反馈补偿电路，比较器用于生成用于开关电源转换器的控制信号。然而，低成本微型计算机的出现越来越多地导致控制和用户界面功能通过数字方式实现。处理能力成本的持续降低使得可以通过在同一处理器上实现所有电机控制功能来进一步简化系统硬件。

过去十年来，ADI 运动控制集团一直是交流伺服电机市场旋转变压器数字转换产品的领先供应商。 AD2S80和AD2S90 R/D转换器等器件用于处理模拟反馈信号，以实现永磁交流伺服驱动系统中位置和速度的数字控制。运动控制集团的最新产品ADMC200 和ADMC201 运动协处理器进一步发展了这一概念。这些多功能器件在单个芯片上结合了为交流电机控制提供反馈控制电流所需的所有接口和信号处理功能。

ADMC201 提供用于捕获电机电流或电压信号的模拟采集系统、调节这些信号的矢量处理功能以及控制电源转换器所需的脉宽调制器。 ADMC201与ADSP-2105数字信号处理器相结合，可用作交流电机驱动系统的高性能控制引擎。以下示例描述了主要器件功能及其在电机控制应用中的用途。

交流伺服电机控制系统：伺服电机控制系统通常具有两个级联控制环路，如图1所示。外部运动环路根据位置或速度传感器的反馈信号控制电机位置和速度。该环路的输出是电机扭矩增加或减少的需求，该需求被馈送到内部电流环路。电流环路向功率转换器产生信号，功率转换器提供适当的电机电流以产生所需的输出扭矩。通过快速改变功率半导体开关（例如IGBT 或功率MOSFET）的导通和关断周期来控制从直流电源轨到电机的功率流。这些控制信号通常是固定频率、可变占空比波形，可以使用定时电路以数字方式生成。

图1

通常，运动环设计与电机类型（交流或直流）无关，而只与系统的机械特性（如惯性、动摩擦等）有关。然而，电流环路的复杂性根据电机类型的不同而不同。在直流电机中，扭矩与电枢绕组中的直流电流成正比。但为了控制交流电机中的扭矩，电流必须与旋转转子磁场的位置同步。简化电机扭矩控制的一种方法是将测量的定子电流转换为与转子磁场同步的参考系。该过程（图2）产生两个等效的直流电机电流量：扭矩产生分量Iq 和磁场控制分量Id。交流电机控制系统计算两个正交电压Vd 和Vq，迫使Iq 电流直接跟随旋转扭矩需求和Id 电流以维持恒定的转子磁场。然后使用逆变换将“直流电机”Vd 和Vq 电压变换回定子参考系，以给出所需的绕组电压。

图2

图3 显示了永磁交流伺服电机控制方案的全数字化实现。旋转变压器数字(R/D) 转换器从轴装式旋转变压器的输出信号中获取数字角位置反馈信息。外部位置和速度环计算所需的电机扭矩电流Iq。使用估计算法根据位置测量值计算电机速度。磁场减小分量Id 通常为零，以便最大化电机扭矩输出。但弱磁场功能可以设置非零Id，有效降低转子磁场强度，从而增大电机调速范围。

图3

A/D 转换器调节电机的定子电流测量值，这些测量值作为矢量变换的输入传递。将两个定子电流信号和转子电角逆变换，并计算出扭矩和磁场分量Iq和Id。由于所有三个定子电流之和为零，因此推断出第三定子电流信号。有两个电流环，一个扭矩环和一个励磁环，具有比例和积分补偿（PI）。这些环路的响应可以通过前馈估计的绕组反电动势和绕组阻抗下降（因此有“+”注释）来改善。然后，Vd 和Vq 在矢量转换模块中转换为三相定子电压Va/5b 和Vc 的数字等效值，用于驱动电机。

PWM 定时器模块将数字输入转换为三相逆变器的脉宽调制定时信号。施加到电机绕组的电压由每个逆变器支路中功率晶体管开关的导通时间控制。在下面的示例中（图4），当上部逆变器功率晶体管Qa 导通时，绕组“a”连接到+V 总线电源轨，导致绕组电流ia 增加。当QA 关闭时，绕组电流“续流”通过下部逆变器二极管D，并将绕组“A”连接到-V 总线电源轨。平均定子绕组电压Va 与功率晶体管Qa 的导通周期ta 成正比，计算公式如下：

对于负定子电流，绕组电流流过下部晶体管Q AP 并流经上部二极管D A 的“续流”。在这种情况下，绕组电压是二极管D A 导通周期的函数。 Q A 关闭后，功率晶体管Q AP 会独立于定子电流来检测施加的定子电压。然而，为了防止这些功率晶体管同时导通的可能性，在上下器件的导通信号之间插入了短暂的“死区时间”。由此产生的低电平有效PWM 信号（如图4(c) 所示）采用互补时序波的形式，在有源部分之间具有较短的“死区”时间。

图4

上述交流伺服系统可以使用三个主要控制组件来构建。 ADSP-2105 DSP 实现控制环路，ADMC201 与三相逆变器连接，AD2S90 与旋转变压器位置传感器连接。 ADSP-2105 定点DSP 针对高速信号处理应用进行了优化。由于控制环周期时间短（仅50-100s），它非常适合交流电机电流控制。 AD2S90 旋转变压器数字转换器可以使用串行端口简单地连接到DSP。 [如果使用ADSP-2115，它将提供额外的串行端口。配套振荡器IC AD2S99 用于旋转变压器激励并提供信号丢失检测。

ADMC201提供DSP控制器和三相逆变器之间所需的接口功能；适用于控制永磁交流电机和交流感应电机。 ADMC201及其接口的详细描述如下。

ADMC200运动协处理器系列：ADMC200运动协处理器具有三大主要功能模块：4通道、11位同步采样模数转换系统、12位零中心PWM定时器模块、矢量旋转模块。此外，ADMC201 还提供三个额外的模拟输入通道和6 位可编程数字I/O 引脚。该器件有25 个内部存储器映射寄存器，用于存储外设输入和输出数据。嵌入式控制定序器对片选线、读写线以及四个地址线进行解码，并将这些数据寄存器直接映射到DSP 存储器地址空间。这意味着DSP 始终可以直接访问所有寄存器。片上中断控制器可以在模数转换序列结束时或矢量转换完成时中断DSP。 A/D 转换器的转换启动线可由PWM 定时器模块驱动，以将控制软件和信号采样同步到PWM 频率。

ADMC200采用CMOS技术设计，既具有低成本又低功耗的特点。 A/D 转换器基于CMOS 兼容的开关电容器技术，是一个11 位逐次逼近器件。前端是4通道同步采样采样保持放大器。这样可以在不到14.4s 的时间内采集多达四个电机电流或电压信号，而不会出现“偏差”。 ADMC201 具有内置4:1 多路复用器，可为温度或直流总线电压等较慢信号提供额外的三个异步通道。转换后的值采用二进制补码格式，以匹配定点DSP 处理器。模拟输入范围为0 至5V，其中2.5V 相当于数字零。板载基准的绝对精度在5%以内（满载）。模数转换器的整体精度为8LSB，而通道间匹配在2LSB 以内。高转换启动脉冲获取所有四个输入通道，并根据控制寄存器设置启动2、3 或4 个通道的转换序列。转换结束时可以编程为DSP 生成中断脉冲，DSP 可以按任意顺序读取结果寄存器。

12 位PWM 模块生成三对恒定频率可变占空比波形，用于电源转换器开关，范围从1.5kHz 到25kHz。图5 所示的信号是基于中心的低电平有效信号，因此导通（低电平）周期与定时脉冲之间的中点对称。这使得电流采样与PWM 波形的同步变得更加容易。波形是互补的，即功率器件成对开关：一个器件“开启”，互补器件“关闭”。为了防止逆变器功率器件同时导通的可能性，对互补PWM 波形进行了死区时间调整(PWMDT)。每个PWM 周期开始时生成的高电平有效PWMSYNC 脉冲使功率逆变器与A/D 转换器的操作同步。

12 位硬件矢量旋转模块可以在定子（交流电流和电压）和转子（直流电机等效）参考系之间执行正向和反向帕克和克拉克变换。逆变换将三相定子电流信号Ia、Ib 和Ic 转换为两个正交转子参考电流Id 和Iq。该变换由三个阶段组成（表1），其中 是转子磁场的角度。

表格1

正向变换将两个正交转子参考电压Vd和Vq转换为三相定子电压信号Ia、Ib和Ic。该变换由两个阶段组成（表2），其中 是转子磁场的角度。

ADMC201 数字I/O 模块有6 条数字线路，可配置为输入或输出。它们还可以配置为系统保护功能的中断源。 I/O 模块通过四个内存映射寄存器进行访问。

交流伺服电机控制软件：使用ADSP-2105 控制交流伺服电机所需的软件可能需要少于500 行DSP 代码。由于篇幅限制，这里无法对软件进行全面的描述，但我们会介绍一些核心算法和代码。

电流控制算法通过中断信号与PWM 频率同步。通过在PWM 周期开始时将ADMC201 的PWMSYNC 引脚（来自定时器模块）连接到ADC 的CONVST 引脚来采样电机电流。 ADMC201 的中断(IRQ) 信号连接到ADSP-2105 的IRQ2 引脚，以在模数转换周期结束时中断DSP。捕获的电流信号代表平均绕组电流值，因为采样是在电流波形的中点进行的。每个PWM 周期开始后，向DSP 提供一组电流测量值；并在下一个周期之前计算出一组新的定子电压值和PWM时间。

图6 中的电流环信号流图描述了ADSP-2105 DSP 和ADMC201 协处理器之间的信息流。当ADMC201 的模数转换器中断指示一组新的电流样本可用时，该算法开始。 DSP从ADMC201的V和W寄存器中读取两相电流值，根据A/D和电流传感器偏置进行调整，与转子角一起写入ADMC201 PHIP2和PHIP3矢量变换中模块。 ADMC201 启动反向矢量旋转，而DSP 可以执行过载检测或总线电压监控等保护功能。转换结束由中断发出信号；然后DSP读取ID和IQ寄存器并实现电流环控制算法。计算出的VD和VQ值与转子角一起写入ADMC201的VD和VQ寄存器。 ADMC201 开始正向矢量旋转，同时DSP 可以执行一些进一步的内务处理功能。转换结束由另一个中断发出信号； DSP读取PHV1、PHV2和PHV3寄存器并根据PWM周期和总线电压调整这些值。然后DSP将三个新值写入PWM寄存器：PWMCHA、PWMCHB和PWMCHC以关闭电流控制环路。

控制算法由许多控制规律和一些ADMC201数据寄存器的读写组成。 ADI定点DSP特别适合实现控制律，例如P-I（比例+积分控制）循环和状态空间算法，这方面的例子有很多。 ADMC201 的存储器映射结构的优点是无需特殊的读取或写入序列即可访问数据寄存器。 ADMC201 读写寄存器通过器件上的片选线映射到DSP 外部DM 地址空间中的块。下表显示了ADMC201 A/D 转换器中断的中断服务程序代码示例来说明这一点。第一条指令是使用数据存储器读取指令读取ADMC201 系统状态寄存器。然后向AR 寄存器加载一个常量，用于设置ADMC201 A/D 中断位。如果未设置A/D 中断，则继续检查其他中断源，例如PARK 块中断。如果该位被设置，则读取A/D 寄存器并启动当前循环算法。

IRQ2_ISR AY0=DM(ADMC201_SYSSTAT_);

读取ADMC201统计寄存器

:AR=ADMC201_AD_INT;

ADMC201 模中断位

AR=AR 和AY0；

测试：该位设置了吗？

如果NE跳转PARK_INTERRUPT；

如果未设置，则跳转到下一个中断

AX0=DM(ADMC201_ADCV_);

读A/D通道V寄存器

DM(I_PH_V)=AX0;

将值保存在数据存储器中

AX0=DM(ADMC201_ADCW_);

读A/D通道W寄存器

DM(I_PH_W)=AX0;

将值保存在数据存储器中

综上所述：

我们选择了使用ADSP-2105（或ADSP-2115）、ADMC201 和AD2S90 芯片组实现的永磁交流伺服电机控制方案的示例。这些硬件选择为系统配置提供了极大的灵活性。如果需要更多的处理“马力”，ADSP-2115可以升级到ADSP-2101或ADSP-2181。如果不需要额外的模拟通道和数字I/O，则可以使用较便宜的ADMC200。 ADSP-2105 和ADMC201 还可用于控制交流感应电机，用编码器代替旋转变压器。

提供使用ADSP-2101 EZLAB 和ADMC201 板的评估系统。它附带的软件展示了ADMC201 功能块的主要特性。该系统可用于构建三相电机控制演示系统的控制元件。

审稿编辑：郭婷