專利名稱：一種滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電氣傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，國際交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)迅速，各種應(yīng)用先進(jìn)控制策略的變頻器層出不窮。相比之下，我國的交流調(diào)速技術(shù)起步較晚，雖然近年來發(fā)展較快，但與西方發(fā)達(dá)國家的發(fā)展水平仍有不小的差距。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對交流調(diào)速技術(shù)的要求越來越高，因此研制開發(fā)高性能的交流調(diào)速裝置是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)，對我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義。直接轉(zhuǎn)矩控制以其控制算法實(shí)現(xiàn)簡單、良好的動(dòng)態(tài)性能以及對電機(jī)參數(shù)信賴性小等優(yōu)點(diǎn)成為了一種最具潛力的新技術(shù)。1995年瑞典ABB公司第一臺(tái)采用直接轉(zhuǎn)矩控制方案的異步電機(jī)高檔變頻器才面世，他們認(rèn)為直接轉(zhuǎn)矩控制將是下一代交流電機(jī)的最優(yōu)秀的控制方式。在實(shí)際應(yīng)用中，安裝速度傳感器既增加裝置成本，又降低裝置可靠性，因此直接轉(zhuǎn)矩控制無速度傳感器技術(shù)成為了一個(gè)熱門方向，但是直接轉(zhuǎn)矩控制低速時(shí)磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，這是阻礙其發(fā)展的主要缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置。
本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括整流逆變輸出電路、控制電路和控制對象三個(gè)部分。整流逆變輸出電路包括整流濾波單元和IPM逆變單元?？刂齐娐钒―SP處理器、IPM隔離驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、電流采樣電路、電壓采樣電路?？刂茖ο鬄橐慌_(tái)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)。IPM逆變單元主電源輸入P、N端與整流電路輸出相連，電壓采樣電路采集P、N間電壓差，IPM輸出端子U、V、W與永磁同步電機(jī)相連，V、W通過兩個(gè)霍爾電流傳感器再與兩路電流采樣電路相連。IPM的16路控制端子與IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路相連，IPM隔離驅(qū)動(dòng)的輸入和保護(hù)電路的輸出以及電流、電壓采樣電路輸出與DSP處理器相連。
整流逆變輸出電路如圖2所示，隔離變壓器與調(diào)壓器連接后經(jīng)兩觸點(diǎn)K連接到整流橋，整流橋中二極管的陽極連接到IPM主電源的N端，二極管的陰極連接到IPM主電源的P端，IPM輸出的三相電流通過輸出端子U，V，W接至三相電動(dòng)機(jī)。P、N為變頻器的整流變換平滑濾波后的IPM主電源輸入端子，P為正端，N為負(fù)端，B為制動(dòng)輸出端子。其中隔離變壓器起到保護(hù)的作用；整流濾波單元采用橋式不可控制整流方式，大電容濾波，這樣可以獲得適合于IPM工作的恒定電壓。逆變單元IPM主電源輸入(P，N)，制動(dòng)輸出(B)，輸出端子(U，V，W)，主端子用M5螺釘，可實(shí)現(xiàn)電流傳輸。
控制電路的核心為TMS320LF2407處理器，采用LF2407評估版(LF2407EVM板)，其外圍電路配置框圖如圖3，EVM板主要的接口包括目標(biāo)只讀存儲(chǔ)器、模擬接口、CAN接口、串行引導(dǎo)ROM、用戶指示燈和開關(guān)、RS232接口、SPI數(shù)據(jù)接口和擴(kuò)展接口。本裝置必要部分還包括電源、晶振、JTAG接口、128K字長無延遲靜態(tài)存儲(chǔ)器、模擬外擴(kuò)接口、PWM外擴(kuò)接口。
本驅(qū)動(dòng)裝置中用到的LF2407評估板幾個(gè)部分的電路連接關(guān)系是TMS320LF2407的地址總線分別接靜態(tài)存儲(chǔ)器U3、U4的地址總線以及地址外擴(kuò)口P3。TMS320LF2407的數(shù)據(jù)總線分別接U3、U4的數(shù)據(jù)總線以及地址外擴(kuò)口P3。TMS320LF2407的讀寫使能管腳分別接U3、U4的17、41管腳。TMS320LF2407的程序空間選通管腳接U3的6管腳，TMS320LF2407的數(shù)據(jù)空間選通管腳接U4的6管腳。TMS320LF2407的JTAG管腳接P5，P5與仿真器的一端相連，另一端通過打印口與PC機(jī)相連。TMS320LF2407的模數(shù)轉(zhuǎn)換管腳分別接模擬外擴(kuò)口P2的23、24、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、19、20管腳。TMS320LF2407事件管理器的PWM接口外擴(kuò)到P1的3、4、5、6、7、8、12、13、14、9、10、11、21、22、24管腳、P4的20、25、26、27、29管腳。TMS320LF2407的123管腳外接15M晶振U22的1管腳。TMS320LF2407的模擬參考電源管腳116、117分別接U19的4和11管腳。TMS320LF2407的數(shù)字參考電源管腳29、50、86、129、4、42、67、77、95、141接3.3V電壓源模塊U12的17、18和19管腳。TMS320LF2407的28、49、85、128、3、41、66、76、94、125、140管腳接數(shù)字地即U12的9和10管腳。
如圖5(a)所示IPM隔離驅(qū)動(dòng)電路，其輸入端PORT6的1、3、4、5、6、7接到評估版P1的3、4、5、6、7、8管腳，圖5(b)所示IPM保護(hù)電路中IPM的故障輸出信號通過光耦接到TMS320LF2407的7管腳外擴(kuò)為P1的26管腳。
圖6為電流采樣電路原理圖，其輸入為兩相霍爾電流傳感器的輸出信號，霍爾電流傳感器由正負(fù)15的直流穩(wěn)壓電流供電，其輸入是將電機(jī)的U、V、W的任意兩相導(dǎo)線從霍爾電流傳感器的中心穿過環(huán)繞兩圈，相應(yīng)的輸出就會(huì)感應(yīng)出1000:2的電流信號，定義為A相和B相，作為電流采樣電路的輸入，A、B相電流采樣電路相同。電流采樣電路通過對可調(diào)電阻503、可調(diào)電阻202的調(diào)節(jié)，將信號調(diào)整到0～3.3V之間，再將其送入DSP的AD轉(zhuǎn)換管腳，在此選擇EVM上P2的23和24管腳，其中放大器在電壓和地間接去耦電容。
電壓采樣電路，霍爾電壓傳感器主邊接IPM的P、N端，電壓傳感器輸出信號M經(jīng)如圖7所示電路處理輸出信號接DSP的AD轉(zhuǎn)換管腳，在此選擇EVM上P2的5管腳。
本發(fā)明裝置的控制通過嵌入控制電路DSP處理器中的控制程序?qū)崿F(xiàn)，其控制過程按以下步驟執(zhí)行(如圖8所示)步驟一、初始化；步驟二、電機(jī)轉(zhuǎn)子初始定位；步驟三、允許INT1，INT2中斷；步驟四、啟動(dòng)T1下溢中斷；步驟五、中斷等待；步驟六、T1中斷處理；步驟七、保護(hù)中斷處理；步驟八、結(jié)束。
其中步驟七中保護(hù)中斷處理過程按以下步驟執(zhí)行(如圖9所示)步驟1 禁止所有中斷；步驟2 封鎖PIM；步驟3 中斷返回。
步驟六中T1中斷處理過程按以下步驟執(zhí)行(如圖10所示)步驟1 保護(hù)現(xiàn)場；步驟2 電流電壓采樣；步驟3 電流電壓數(shù)據(jù)處理；步驟4 磁鏈估計(jì)；步驟5 轉(zhuǎn)矩估計(jì)；步驟6 是否速度調(diào)節(jié)，是進(jìn)入步驟7，否則進(jìn)入步驟9；步驟7 速度估計(jì)；步驟8 速度PI調(diào)節(jié)；步驟9 磁鏈和轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)控制器調(diào)節(jié)；步驟10 空間矢量調(diào)制；步驟11 恢復(fù)現(xiàn)場；步驟12 中斷返回。
在步驟六中T1下溢中斷過程主要完成無速度傳感器滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制計(jì)算。
進(jìn)入中斷以后首先保護(hù)現(xiàn)場，然后啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，把由外圍電路送回來的電流、電壓值采集到DSP當(dāng)中。采集回來的數(shù)據(jù)首先是存儲(chǔ)在各自的結(jié)果寄存器(RESUTLx)當(dāng)中，從結(jié)果寄存器讀出電流、電壓值，對電流進(jìn)行坐標(biāo)變換得到靜止坐標(biāo)系下兩相電流值。第一次進(jìn)入中斷時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了初始定位，所以可以得到第一次靜止坐標(biāo)系下兩相電壓的值。得到了電流電壓的值就可以進(jìn)行磁鏈的估計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行轉(zhuǎn)矩估計(jì)。速度環(huán)對響應(yīng)速度的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有磁鏈和轉(zhuǎn)矩環(huán)對響應(yīng)速度的要求那樣高，因此規(guī)定每一次T1下溢中斷都要進(jìn)行磁鏈和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，而每20次中斷才進(jìn)行一次速度的估計(jì)和PI調(diào)節(jié)。因此在進(jìn)入速度估計(jì)和PI調(diào)節(jié)之前要進(jìn)行一下判斷是否要進(jìn)入速度調(diào)節(jié)。速度估計(jì)采用以下算法實(shí)現(xiàn)ωr(k+1)=ωs(k+1)=(Vβ(k)-iβ(k))ψα(k)-(Vα(k)-iα(k))ψβ(k)ψα(k)2+ψβ(k)2]]>式中下標(biāo)α，β代表靜止兩項(xiàng)坐標(biāo)系；ωr(k+1)——第k+1次的轉(zhuǎn)子速度估計(jì)值；ωs(k+1)——第k+1次的定子磁場旋轉(zhuǎn)速度估計(jì)值；V——電壓；i——電流；ψ——定子磁鏈；k——第k次采樣或計(jì)算結(jié)果。
得到了速度估計(jì)值，在與速度給定值做差得到速度誤差，進(jìn)行速度PI調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)矩的給定值。
速度估計(jì)值得到以后對轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行估計(jì)用下式即可實(shí)現(xiàn)θr(k+1)＝θr(k)+ωr(k)ΔT由AD采樣回來的直流母線電壓，在查轉(zhuǎn)子位置估計(jì)θr的正余弦表，得到(α，β)坐標(biāo)系下Vα(k+1)和Vβ(k+1)的值，以用于下一次轉(zhuǎn)子的速度估計(jì)。
根據(jù)給定的直流電的電流值和電流采樣電路采樣的電流值計(jì)算得到磁鏈轉(zhuǎn)矩的給定值和估計(jì)值，使用滑模變結(jié)構(gòu)控制器對這兩個(gè)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
滑模變結(jié)構(gòu)控制器的輸入分別為磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差，輸出為靜止坐標(biāo)系下α，β軸的電壓分量。
V‾ref=Vα(k+1)Vβ(k+1)=-D‾-1(k)μ100μ2sign(S1)sign(S2)]]>其中D‾-1(k)=1|D|-2ψβ(k)32p(ψα(k)Ls-iα(k))2ψα(k)-32p(iβ(k)-ψβ(k)Ls)]]>|D|=3p[(ψα(k)iα(k)+ψβ(k)iβ(k))-1Ls((ψα(k)2+ψβ(k)2)]]]>sign(Si)=1,Si>λi-1,Si<-λiSiλi,|Si|<λi]]>S1=eT(k)+K1Σi=0keT(i)-eT(0)S2=eψ(k)+K2Σi=0keψ(i)-eψ(0)]]>式中p——電機(jī)極對數(shù)；Ls——定子繞組電感；μ1，μ2——滑模系數(shù)；i＝1，2，λi——滑模BL(Boudary layer)的寬度；K1，K2——滑模增益。
得到的靜止坐標(biāo)系下的電壓給定值即為空間矢量調(diào)制(SVPWM)的輸入，再利用空間矢量調(diào)制(SVPWM)技術(shù)生成相鄰兩個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的值寫入三個(gè)比較寄存器(CMPRx)，輸出相應(yīng)的PWM信號驅(qū)動(dòng)IPM，最終進(jìn)行電機(jī)的伺服控制。
本發(fā)明裝置省去了速度傳感器，節(jié)約了成本；采用滑?？刂扑惴ㄌ岣呖刂葡到y(tǒng)的抗干擾能力，克服由于各種外界擾動(dòng)而引起控制系統(tǒng)不穩(wěn)定；本裝置控制精度高，能夠適用于調(diào)速性能要求較高的場合。


圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明裝置整流逆變輸出電路原理圖；圖3為本發(fā)明裝置中DSP處理器及外圍電路配置框圖；圖4(1)為DSP處理器及其部分外圍電路原理圖， (2)為DSP外圍晶振電路原理圖，(3)為P5的電路原理圖，(4)為電壓模塊TPS73HD318及其外圍電路原理圖，(5)為地址外擴(kuò)口P3的連接關(guān)系圖， (6)為控制口P4的連接關(guān)系圖，(7)為模擬外擴(kuò)口P2的連接關(guān)系圖， (8)為外擴(kuò)I/O口P1的連接關(guān)系圖，(9)為RS232及其外圍電路原理圖， (10)為靜態(tài)存儲(chǔ)器U3的連接關(guān)系圖，(11)為靜態(tài)存儲(chǔ)器U4的連接關(guān)系圖， (12)為U9(74LS245)的連接關(guān)系圖，(13)為U2(74LS245)的連接關(guān)系圖，(14)為U19、U16、U10、U14、U8、U1及其外圍電路原理圖，(15)為U17的連接關(guān)系圖，(16)為U20(TLC2274)及其外圍電路原理圖， (17)為U13C、B的外圍電路原理圖，(18)為U13F外圍電路原理圖， (19)為U7及其外圍電路原理圖，(20)為U20及其外圍電路原理圖，(21)為JP16、JP6的外圍電路原理圖，(22)JP9的外圍電路原理圖，(23)為JP5的外圍電路原理圖，(24)JP8的外圍電路原理圖，(25)為J1、J2、JP7和開關(guān)SW3的外圍電路原理圖，(26)為U11(74LS245)的連接關(guān)系圖， (27)為U6、U5及其外圍電路原理圖，(28)為為L7、C28的連接關(guān)系圖，(29)為5VO的電路原理圖，(30)為L3的連接關(guān)系圖，(31)為L6、C7、C44、C55、C52、C53C51的連接關(guān)系圖，(32)為L1、C2、C13、C27、C49的連接關(guān)系圖；圖5(a)為IPM隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖，(b)為IPM保護(hù)電路原理圖；圖6(a)為A相電流采樣電路原理圖，(b)為B相電流采樣電路原理圖；圖7為本發(fā)明裝置電壓采樣電路原理圖；圖8為本發(fā)明裝置的DSP處理器中控制程序流程框圖；圖9為本發(fā)明裝置的保護(hù)中斷處理過程流程框圖；圖10為本發(fā)明裝置的T1中斷處理過程流程框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括整流逆變輸出電路、控制電路和控制對象三個(gè)部分。整流逆變輸出電路包括整流濾波單元和IPM逆變單元?？刂齐娐钒―SP處理器、IPM隔離驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、電流采樣電路、電壓采樣電路?？刂茖ο鬄橐慌_(tái)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)。IPM逆變單元主電源輸入P、N端與整流電路輸出相連，電壓采樣電路采集P、N間電壓差，IPM輸出端子U、V、W與永磁同步電機(jī)相連，V、W通過兩個(gè)霍爾電流傳感器再與兩路電流采樣電路相連。IPM的16路控制端子與IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路相連，IPM隔離驅(qū)動(dòng)的輸入和保護(hù)電路的輸出以及電流、電壓采樣電路輸出與DSP處理器相連。
整流逆變輸出電路如圖2所示，隔離變壓器與調(diào)壓器連接后經(jīng)兩觸點(diǎn)K連接到整流橋，整流橋中二極管的陽極連接到IPM主電源的N端，二極管的陰極連接到IPM主電源的P端，IPM輸出的三相電流通過輸出端子U，V，W接至三相電動(dòng)機(jī)。P、N為變頻器的整流變換平滑濾波后的主電源輸入端子，P為正端，N為負(fù)端，B為制動(dòng)輸出端子。其中隔離變壓器起到穩(wěn)壓，防止電網(wǎng)高頻信號干擾整流逆變輸出電路的作用；整流濾波單元采用橋式不可控制整流方式，大電容濾波，這樣可以獲得適合于IPM工作的恒定電壓。逆變單元IPM主電源輸入(P，N)，制動(dòng)輸出(B)，輸出端子(U，V，W)，主端子用M5螺釘，可實(shí)現(xiàn)電流傳輸。
控制電路的核心為DSP處理器，采用EVM板可以對LF2407代碼進(jìn)行全速檢驗(yàn)，包括544個(gè)字長的片上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、128K字長的板上存儲(chǔ)器、片上只讀閃爍存儲(chǔ)器、片上UART和一個(gè)MP7680D/A轉(zhuǎn)換器。板上安裝的器件可使評估板解決各類問題。4個(gè)擴(kuò)展接口，可提供給任何評估電路。評估電路是用戶自行開發(fā)，可應(yīng)用大量的用戶界面來轉(zhuǎn)化代碼，從而縮短開發(fā)時(shí)間和周期。
LF2407EVM有以下的特征(1)LF2407運(yùn)行速度達(dá)30MIPS并能實(shí)現(xiàn)128字長無延時(shí)存儲(chǔ)；(2)片上16個(gè)通道，10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，自動(dòng)排序；(3)雙事件管理器多重PWM和片上捕捉通道；(4)DAC7654四通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器；(5)帶RS232驅(qū)動(dòng)器的片上UART；(6)帶驅(qū)動(dòng)的CAN接口；(7)用戶開關(guān)和發(fā)光二極管指示燈；(8)4個(gè)擴(kuò)展接口(數(shù)據(jù)地址、I/O、控制)；(9)為可選的評估提供板上IEEE1149、1個(gè)JTAG接口；(10)5V電壓輸入(3.3V板上調(diào)壓器)。
LF2407EVM基本配置的方框圖見圖3，EVM板主要的接口包括目標(biāo)只讀存儲(chǔ)器、模擬接口、CAN接口、串行引導(dǎo)ROM、用戶指示燈和開關(guān)、RS232接口、SPI數(shù)據(jù)接口和擴(kuò)展接口。LF2407接有128K字長無延遲靜態(tài)存儲(chǔ)器，一個(gè)擴(kuò)展的I/O接口支持65000并行的I/O端口，片上CAN接口和RS232串口可用作擴(kuò)展接口。本裝置必要部分包括電源、晶振、JTAG接口、128K字長無延遲靜態(tài)存儲(chǔ)器、模擬外擴(kuò)接口、PWM外擴(kuò)接口。
DSP外圍對本裝置必要部分電路的具體連接是(如圖4所示)TMS320LF2407如圖4(1)的127、130、132、134、136、138、143、5、9、13、15、17、20、22、24、27管腳分別接靜態(tài)存儲(chǔ)器U3如圖4(10)、U4如圖4(11)(IS61LV6416)的7、8、9、10、13、14、15、16、29、30、31、32、35、36、37、38管腳以及地址外擴(kuò)口P3如圖4(5)的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16管腳。TMS320LF2407的80、78、74、71、68、64、61、57、53、51、48、45、43、39、34、31管腳分別接U3、U4的5、4、3、2、1、44、43、42、27、26、25、24、21、20、19、18管腳以及地址外擴(kuò)口P3的19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34管腳。TMS320LF2407的93、89管腳接U3、U4的17、41管腳。TMS320LF2407的87管腳接U3的6管腳，TMS320LF2407的84管腳接U4的6管腳。TMS320LF2407的19、89、96、92、82、84、87管腳分別連接U17如圖4(15)(GAL16V8)的4、5、6、7、8、9、10、11管腳。TMS320LF2407的90、91、135、139、142、144管腳分別接P5如圖4(3)(JTAG)的13、14、9管腳和11、3、7、1管腳。TMS320LF2407的112、110、107、105、103、102、100、99、113、111、109、108、106、104、101、98管腳分別接模擬外擴(kuò)口P2如圖4(7)的23、24、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、19、20管腳。TMS320LF2407的56、54、52、47、44、40、16、18、8、65、62、59、55、46、38、6管腳分別接外擴(kuò)I\O與PWM復(fù)用接口P1如圖4(8)的3、4、5、6、7、8、12、13、14、9、10、11管腳、P4如圖4(6)的25、26、27、29管腳。TMS320LF2407的83、79、88、81管腳接外擴(kuò)I\O與PWM復(fù)用接口P1的21、22、24管腳和P4的20管腳。TMS320LF2407的123管腳外接15M晶振U22如圖4(2)的1管腳。TMS320LF2407的模擬參考電源管腳116、117分別接U19如圖4(14)(TLC2274)的4和11管腳。TMS320LF2407的數(shù)字參考電源管腳29、50、86、129、4、42、67、77、95、141接3.3V電壓源模塊U12如圖4(4)(TOS73HD318)的17、18和19管腳。TMS320LF2407的28、49、85、128、3、41、66、76、94、125、140管腳接數(shù)字地即U12的9和10管腳。TMS320LF2407的25、19、26管腳分別接RS232接口U21的11、10和JP12的2管腳，如圖4(9)所示。TMS320LF2407的72、70管腳分別接U7的1管腳和JP2的2管腳，如圖4(19)所示。
圖5(a)為IPM隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖。其輸入端PORT6的1、3、4、5、6、7接到EVM P1的3～8管腳。驅(qū)動(dòng)布線及屏蔽是IPM模塊能否正常工作的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)必須做到驅(qū)動(dòng)電源隔離、布線合理、接地正確、屏蔽得當(dāng)、同時(shí)盡量接退耦電容，減少寄生電容，以降低地磁噪音干擾，避免驅(qū)動(dòng)誤動(dòng)作。值得指出的是IPM的自保護(hù)主要是針對非重復(fù)性瞬態(tài)故障，因此必須在有故障輸出時(shí)，及時(shí)切斷電路，在本裝置中是通過如下措施來實(shí)現(xiàn)(如圖5(b))IPM的故障輸出信號通過光耦接到TMS320LF2407的第7管腳外擴(kuò)為P1的26管腳，以確保IPM發(fā)生故障時(shí)DSP及時(shí)將所有事件管理器輸出腳置成高阻狀態(tài)，從而避免嚴(yán)重的事故。
圖6為電流采樣電路原理圖，其輸入為兩相霍爾電流傳感器的輸出信號，霍爾電流傳感器由正負(fù)15的直流穩(wěn)壓電流供電，其輸入是將電機(jī)的U、V、W的任意兩相導(dǎo)線從霍爾電流傳感器的中心穿過環(huán)繞兩圈，相應(yīng)的輸出就會(huì)感應(yīng)出1000:1的電流信號，定義為A相和B相，作為電流采樣電路的輸入，A、B相電流采樣電路相同。圖中可調(diào)電阻503是用來調(diào)節(jié)信號幅值的，可調(diào)電阻202是用來調(diào)節(jié)信號的偏移量的，通過對這兩個(gè)電阻的調(diào)節(jié)，可以將信號調(diào)整到0～3.3V之間，再將其送入DSP的AD轉(zhuǎn)換管腳，在此選擇EVM上P2的23和24管腳。其中穩(wěn)壓管是為了防止送入DSP的信號超過3.3V，而損壞DSP。放大器采用OP07，接正負(fù)15V的電壓，在電壓和地間接去耦電容。電路輸入端接阻容濾波，使得電流采樣信號更精確。
電壓采樣電路原理圖如圖7所示，其電壓輸出信號接DSP的AD轉(zhuǎn)換管腳，在此選擇EVM上P2的5管腳?；魻栯妷簜鞲衅鹘釉谡髌鬏敵龆说模瑏頇z測直流母線電壓，它的原理是原邊電壓通過原邊電阻轉(zhuǎn)換為原邊電流，該電流產(chǎn)生的磁通量與霍爾電壓經(jīng)放大產(chǎn)生的副邊電流通過副邊線圈所產(chǎn)生的磁通量相平衡。副邊電流精確地反映原邊電壓。需要將采樣的所有信號轉(zhuǎn)換到DSP可以接受的電壓值范圍以內(nèi)，由DSP內(nèi)部具有的AD轉(zhuǎn)換電路采樣到DSP內(nèi)處理以后參與運(yùn)算。
本裝置由嵌入DSP處理器的控制程序進(jìn)行控制，其控制過程按以下步驟執(zhí)行步驟一、初始化；步驟二、電機(jī)轉(zhuǎn)子初始定位；步驟三、允許INT1，INT2中斷；步驟四、啟動(dòng)T1下溢中斷；步驟五、中斷等待；步驟六、T1中斷處理；步驟七、保護(hù)中斷處理；步驟八、結(jié)束。
其中保護(hù)中斷處理過程步驟如下步驟1 禁止所有中斷；步驟2 封鎖PIM；步驟3 中斷返回。
T1中斷處理過程步驟如下步驟1 保護(hù)現(xiàn)場；步驟2 電流電壓采樣；步驟3 電流電壓數(shù)據(jù)處理；步驟4 磁鏈估計(jì)；步驟5 轉(zhuǎn)矩估計(jì)；步驟6 是否速度調(diào)節(jié)，是進(jìn)入步驟7，否則進(jìn)入步驟9；步驟7 速度估計(jì)；步驟8 速度PI調(diào)節(jié)；步驟9 磁鏈和轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)控制器調(diào)節(jié)；步驟10 空間矢量調(diào)制；步驟11 恢復(fù)現(xiàn)場；步驟12 中斷返回。
初始化包括關(guān)閉所有中斷，DSP初始化，變量初始化，事件管理器初始化，AD初始化。
要實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的無傳感器的控制，轉(zhuǎn)子的初始位置是需要確定的，給電機(jī)的定子通以一個(gè)已知大小的直流電，這樣使定子產(chǎn)生一個(gè)恒定的磁場，這個(gè)磁場與轉(zhuǎn)子的恒定磁場相互作用，迫使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)磁鏈重合的位置而停止，從而得到轉(zhuǎn)子的初始相位。
轉(zhuǎn)子初始定位之后就可以開相應(yīng)的中斷，進(jìn)入中斷等待，等待中斷事件的產(chǎn)生，中斷產(chǎn)生了以后就會(huì)按照定義好的中斷向量表，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理。
中斷服務(wù)子程序包括保護(hù)中斷子程序和T1下溢中斷服務(wù)子程序。
保護(hù)中斷響應(yīng)的是IPM的保護(hù)信號，屬于外部中斷，優(yōu)先級比定時(shí)器T1中斷高。IPM會(huì)在過流、過壓等異常情況發(fā)生的時(shí)候自動(dòng)發(fā)出保護(hù)信號，這一信號經(jīng)轉(zhuǎn)換接到DSP的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳PDPINTA。一旦有異常情況發(fā)生，DSP會(huì)進(jìn)入保護(hù)中斷響應(yīng)子程序，首先禁止所有中斷，然后在封鎖PWM輸出使得電機(jī)馬上停轉(zhuǎn)，起到保護(hù)電機(jī)和IPM的作用。
定時(shí)器采用增減計(jì)數(shù)方式，當(dāng)定時(shí)器T1完成整個(gè)周期減計(jì)數(shù)至0時(shí)產(chǎn)生中斷，同時(shí)定時(shí)器開始下一次增/減計(jì)數(shù)周期。定時(shí)器T1下溢中斷屬于中斷級INT2，在初始化定時(shí)器時(shí)開中斷屏蔽寄存器IMR和EVAIMRA的相應(yīng)屏蔽位。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，CPU指向中斷向量表的相應(yīng)地址，并置位中斷標(biāo)志IFR和EVAIFRA，CPU響應(yīng)中斷后，跳轉(zhuǎn)到指定的通用中斷服務(wù)程序，中斷標(biāo)志IFR自動(dòng)清零，并置位中斷方式位INTM，禁止其它所有可屏蔽的中斷。EVAIFRA的中斷標(biāo)志位需軟件清除。
在T1下溢中斷子程序中，主要完成無速度傳感器滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制算法。
進(jìn)入中斷以后首先保護(hù)現(xiàn)場，然后啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，把由外圍電路送回來的電流、電壓值采集到DSP當(dāng)中。采集回來的數(shù)據(jù)首先是存儲(chǔ)在各自的結(jié)果寄存器(RESUTLx)中，從結(jié)果寄存器讀出電流、電壓值，對電流進(jìn)行坐標(biāo)變換得到靜止坐標(biāo)系下兩相電流值。第一次進(jìn)入中斷時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了初始定位，所以可以得到第一次靜止坐標(biāo)系下兩相電壓的值。得到了電流電壓的值就可以進(jìn)行磁鏈的估計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行轉(zhuǎn)矩估計(jì)。速度環(huán)對響應(yīng)速度的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有磁鏈和轉(zhuǎn)矩環(huán)對響應(yīng)速度的要求那樣高，因此規(guī)定每一次T1下溢中斷都要進(jìn)行磁鏈和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，而每20次中斷才進(jìn)行一次速度的估計(jì)和PI調(diào)節(jié)。因此在進(jìn)入速度估計(jì)和PI調(diào)節(jié)之前要進(jìn)行一下判斷是否要進(jìn)入速度調(diào)節(jié)。速度估計(jì)采用以下算法實(shí)現(xiàn)ωr(k+1)=ωs(k+1)=(Vβ(k)-iβ(k))ψα(k)-(Vα(k)-iα(k))ψβ(k))ψα(k)2+ψβ(k)2]]>式中下標(biāo)α，β代表靜止兩項(xiàng)坐標(biāo)系；ωr(k+1)——第k+1次的轉(zhuǎn)子速度估計(jì)值；ωs(k+1)——第k+1次的定子磁場旋轉(zhuǎn)速度估計(jì)值；V——電壓；i——電流；ψ——定子磁鏈；k——第k次采樣或計(jì)算結(jié)果。得到了速度估計(jì)值，在與速度給定值做差得到速度誤差，進(jìn)行速度PI調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)矩的給定值。
速度估計(jì)值得到以后對轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行估計(jì)用下式即可實(shí)現(xiàn)θr(k+1)＝θr(k)+ωr(k)ΔT由AD采樣回來的直流母線電壓，在查轉(zhuǎn)子位置估計(jì)θr的正余弦表，得到(α，β)坐標(biāo)系下Vα(k+1)和Vβ(k+1)的值，以用于下一次轉(zhuǎn)子的速度估計(jì)。
根據(jù)給定的直流電的電流值和電流采樣電路采樣的電流值計(jì)算得到磁鏈轉(zhuǎn)矩的給定值和估計(jì)值，使用滑模變結(jié)構(gòu)控制器對這兩個(gè)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
滑模變結(jié)構(gòu)控制器的輸入分別為磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差，輸出為靜止坐標(biāo)系下α，β軸的電壓分量。
V‾ref=Vα(k+1)Vβ(k+1)=-D‾-1(k)μ100μ2sign(S1)sign(S2)]]>其中D‾-1(k)=1|D|-2ψβ(k)32p(ψα(k)Ls-iα(k))2ψα(k)-32p(iβ(k)-ψβ(k)Ls)]]>|D|=3p[(ψα(k)iα(k)+ψβ(k)iβ(k))-1Ls((ψα(k)2+ψβ(k)2)]]]>sign(Si)=1,Si>λi-1,Si<-λiSiλi,|Si|<λi]]>S1=eT(k)+K1Σi=0keT(i)-eT(0)S2=eψ(k)+K2Σi=0keψ(i)-eψ(0)]]>式中p——電機(jī)極對數(shù)；Ls——定子繞組電感；μ1，μ2——滑模系數(shù)；i＝1，2，λi——滑模BL(Boudary layer)的寬度；K1，K2——滑模增益。
得到的靜止坐標(biāo)系下的電壓給定值即為空間矢量調(diào)制(SVPWM)的輸入，再利用空間矢量調(diào)制(SVPWM)技術(shù)生成相鄰兩個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的值寫入三個(gè)比較寄存器(CMPRx)，輸出相應(yīng)的PWM信號驅(qū)動(dòng)IPM，最終進(jìn)行電機(jī)的伺服控制。
權(quán)利要求
1.一種滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置，包括整流逆變輸出電路、控制電路和控制對象三個(gè)部分；整流逆變輸出電路包括整流濾波單元和IPM逆變單元；控制電路包括DSP處理器、IPM隔離驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、電流采樣電路、電壓采樣電路；控制對象為一臺(tái)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)；IPM逆變單元主電源輸入P、N端與整流電路輸出相連，電壓采樣電路采集P、N間電壓差，IPM輸出端子U、V、W與永磁同步電機(jī)相連，V、W通過兩個(gè)霍爾電流傳感器再與兩路電流采樣電路相連，IPM的16路控制端子與IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路相連，IPM隔離驅(qū)動(dòng)的輸入和保護(hù)電路的輸出以及電流、電壓采樣電路輸出與DSP處理器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述的整流逆變輸出電路中隔離變壓器與調(diào)壓器連接后經(jīng)兩觸點(diǎn)K連接到整流橋，整流橋中二極管的陽極連接到IPM主電源的N端，二極管的陰極連接到IPM主電源的P端，IPM輸出的三相電流通過輸出端子U，V，W接至三相電動(dòng)機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述的控制電路中DSP處理器采用TMS320LF2407評估版，TMS320LF2407評估版的地址總線分別接靜態(tài)存儲(chǔ)器U3、U4的地址總線以及地址外擴(kuò)口P3，TMS320LF2407評估版的數(shù)據(jù)總線分別接U3、U4的數(shù)據(jù)總線以及地址外擴(kuò)口P3，TMS320LF2407評估版的讀寫使能管腳分別接U3、U4的17、41管腳，TMS320LF2407評估版的程序空間選通管腳接U3的6管腳，TMS320LF2407評估版的數(shù)據(jù)空間選通管腳接U4的6管腳，TMS320LF2407評估版的JTAG管腳接P5，P5與仿真器的一端相連，另一端通過打印口與PC機(jī)相連，TMS320LF2407評估版的模數(shù)轉(zhuǎn)換管腳分別接模擬外擴(kuò)口P2的23、24、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、19、20管腳，TMS320LF2407評估版事件管理器的PWM接口外擴(kuò)到P1的3、4、5、6、7、8、12、13、14、9、10、11、21、22、24管腳、P4的20、25、26、27、29管腳，TMS320LF2407評估版的123管腳外接15M晶振U22的1管腳，TMS320LF2407評估版的模擬參考電源管腳116、117分別接U19的4和11管腳，TMS320LF2407評估版的數(shù)字參考電源管腳29、50、86、129、4、42、67、77、95、141接3.3V電壓源模塊U12的17、18和19管腳，TMS320LF2407評估版的28、49、85、128、3、41、66、76、94、125、140管腳接數(shù)字地即U12的9和10管腳，TMS320LF2407評估版外括接口P1的3、4、5、6、7、8管腳直接接到IPM隔離驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的輸入端PORT6的1、3、4、5、6、7，IPM的故障輸出信號通過光耦接到TMS320LF2407評估版的7管腳外擴(kuò)為P1的26管腳，TMS320LF2407評估版外擴(kuò)接口P2的23和24管腳分別連接A、B兩相電流采樣電路的輸出，TMS320LF2407評估版外擴(kuò)接口P2的5管腳連接電壓采樣電路的輸出。
4.權(quán)利要求1所述的一種滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于該裝置的控制過程按以下步驟執(zhí)行步驟一、初始化；步驟二、電機(jī)轉(zhuǎn)子初始定位；步驟三、允許INT1，INT2中斷；步驟四、啟動(dòng)T1下溢中斷步驟五、中斷等待；步驟六、T1中斷處理；步驟七、保護(hù)中斷處理；步驟八、結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于步驟七中保護(hù)中斷處理過程按以下步驟執(zhí)行步驟1、禁止所有中斷；步驟2、封鎖PIM；步驟3、中斷返回。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于步驟六中T1中斷處理過程按以下步驟執(zhí)行步驟1、保護(hù)現(xiàn)場；步驟2、電流電壓采樣；步驟3、電流電壓數(shù)據(jù)處理；步驟4、磁鏈估計(jì)；步驟5、轉(zhuǎn)矩估計(jì)；步驟6、是否速度調(diào)節(jié)，是進(jìn)入步驟7，否則進(jìn)入步驟9；步驟7、速度估計(jì)；步驟8、速度PI調(diào)節(jié)；步驟9、磁鏈和轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)控制器調(diào)節(jié)；步驟10、空間矢量調(diào)制；步驟11、恢復(fù)現(xiàn)場；步驟12、中斷返回。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于步驟9中磁鏈和轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)控制器調(diào)節(jié)，滑模變結(jié)構(gòu)控制器的輸入分別為磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差，輸出為靜止坐標(biāo)系下α，β軸的電壓分量，依下式計(jì)算V‾ref=Vα(k+1)Vβ(k+1)=-D‾-1(k)μ100μ2sign(S1)sign(S2)]]>其中D‾-1(k)=1|D|-2ψβ(k)32p(ψα(k)Ls-iα(k))2ψα(k)-32p(iβ(k)-ψβ(k)Ls)]]>|D|=3p[(ψα(k)iα(k)+ψβ(k)iβ(k))-1Ls((ψα(k)2+ψβ(k)2))]]]>sign(Si)=1,Si>λi-1,Si<-λiSiλi,|Si|<λi]]>S1=eT(k)+K1Σi=0keT(i)-eT(0)S2=eψ(k)+K2Σi=0keψ(i)-eψ(0)]]>式中p——電機(jī)極對數(shù)；Ls——定子繞組電感；μ1，μ2——滑模系數(shù)；ψ——定子磁鏈；k——第k次采樣或計(jì)算結(jié)果；i＝1，2，λi——滑模BL(Boudary layer)的寬度；K1，K2——滑模增益。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置，由整流逆變輸出電路、控制電路和控制對象三個(gè)部分。整流逆變輸出電路包括整流濾波單元和IPM逆變單元。控制電路包括DSP處理器、IPM隔離驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、電流采樣電路、電壓采樣電路。控制對象為一臺(tái)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)。該裝置的控制通過嵌入控制電路DSP處理器中的控制程序?qū)崿F(xiàn)。本發(fā)明裝置省去了速度傳感器，節(jié)約了成本；采用滑模控制算法提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，克服由于各種外界擾動(dòng)而引起控制系統(tǒng)不穩(wěn)定；本裝置控制精度高，能夠適用于調(diào)速性能要求較高的場合。
文檔編號H02P6/16GK1825752SQ200610045849
公開日2006年8月30日 申請日期2006年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者楊俊友, 何國鋒, 崔皆凡, 王成元, 夏加寬 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)