基于DSP与人工神经网络技术的交流电机控制器的设计

1、2008年第1期 工业仪表与自动化装置33基于DSP与人工神经网络技术的交流电机控制器的设计舒宝山1,2,方 凯(1.中国科学院合肥智能机械研究所,安徽合肥230031;2.中国科学技术大学自动化系,安徽合肥230027)摘要:介绍了一种基于DSP与人工神经网络技术的交流电机控制器。根据SVPWM的基本原理,利用人工神经网络技术,提出了一种新型的SVPWM计算方法。通过MATLAB的离线建模与学习、DSP的实时控制,设计了一款高性能的交流电机矢量调速控制器,实现了对交流电机运行的有效控制。关键词:交流电机;DSP;SVPWM;人工神经网络;矢量控制中图分类号:TM571 文献标识码:A 文章编

2、号:1000-0682(2008)01-0033-03ThedesignforACmotorcontrollerbasedonDSPandANNSHUBao shan1,2,FANGKa1i(1.InstituteofIntelligentMachine,ChineseAcademyofScience,AnhuiHefei230031,China;2.DepartmentofAutomation,UniversityofScienceandTechnologyofChina,AnhuiHefei230027,China)Abstract:AnACmotorcontrollerbasedonDS

3、PandANNisintroducedinthispaper.AccordingtotheprincipleofSVPWM,anovelalgorithmforSVPWMisproposeusingANNtechnology.Ahighper formanceACmotorcontrollerisdesignedbymeansofofflinemodelingandstudyingbyMATLAB,andre al-timecontrolbyDSP.TheACmotoriseffectivelycontrolledbythiscontroller.Keywords:ACmotor;DSP;SV

4、PWM;ANN;vectorcontrol0 引言随着新型电力电子器件以及各种微处理器的不断出现,交流电机的控制方式也在飞速发展,其中SVPWM是当今最流行的一种控制策略。因为用SVPWM对交流电机进行控制,是基于控制对象模型已知和参数不变,而电机运行时有些参数经常发生变化,从而影响到SVPWM矢量控制系统的控制性能。该文依据SVPWM的基本原理,提出一种基于DSP与人工神经网络技术的新型控制技术:人工神经网络通过神经元间连接权重的自行调节可实现自学习、自适应,可以利用MATLAB神经网络工具箱,对实验结果进行离线训练、学习,得出最优的控制策略;利用SVPWM进行控制时,需要实时地完成坐标变换

5、、电流检测、转速检测、PWM信号生成以及各种检测和保护,需要处理的数据量非常大,传统的单片机收稿日期:2007-05-09作者简介:舒宝山(1983-),山东博兴人,中国科学技术大学自。难以满足要求,采用TI的TMS320LF2407A,利用其强大的计算和事件模块可以很好的实现控制功能。1 SVPWM控制原理SVPWM控制的基本思想就是将异步电机模拟成直流电机来控制:第1步,将交流电机的定子三相电流变换成空间静止坐标系两相电流;第2步,将空间静止坐标系两相电流等效在与转子磁场同步的运动两相坐标系上;第3步,将这两相同步运动的坐标系按照转子的磁场方向进行处理,从而得到交流电动机到直流电动机的等效

6、变换,然后通过SVPWM逆变调制,将期望电压向量供给电机,从而实现对交流电机的SVPWM控制。在第1步中需要用到CLARK变换(3s/2s变换),第2步中要用到PARK变换(2s/2r变换),限于篇幅,文中不作详细介绍,下面将详细介绍第3步中的SVPWM逆变调制。三相电压逆变器电路模型如图1所示。逆变器6i(i=1,6)34工业仪表与自动化装置 2008年第1期出。用1表示上桥臂导通,下桥臂断开,用0表示下桥臂导通,上桥臂断开,则不同的功率管导通与关断可以组成8种不同的逻辑状态,在不同的状态下桥臂得到不同的电压,通过变换,可以进一步得到3个相电压的值,具体数值对应关系见表1。V2的导通时间T1

7、、T2,可以确定参考电压Vout。控制器控制性能好坏的关键在于经过复杂的数学运算后,能否及时、准确地输出PWM控制信号。该设计结合人工神经网络技术,将对精度和速度要求严格的SVPWM控制部分在片外进行离线训练、学习,片内只是简单的公式调用,满足了系统性能的要求。2 系统的结构及软硬件实现2 1 系统部分系统采用闭环控制,整个系统包含速度和电流2图1 三相电压逆变器电路模型表1 逆变桥逻辑状态与相电压对应表VkV0V5V3V4V1V6V2V7A00001111B00110011C01010101VAN0VBN0VCN0个环。对于速度环,通过旋转编码器,可以检测反馈回来的转速和M/T的坐标旋转角

8、;对于电流环,通过霍尔元件可以反馈回来两相电流的值(经过简单的计算可以计算出第三相电流的数值)。检测到的电流值经过CLARK变换和PARK变换后,进行SVPWM控制IGBT逆变器的输出,获得优良的控制性能。2 2 硬件部分系统的硬件框图如图3所示。-1/3UDC-1/3UDC2/3UDC-1/3UDC2/3UDC-1/3UDC-2/3UDC1/3UDC1/3UDC2/3UDC-1/3UDC-1/3UDC1/3UDC1/3UDC0-2/3UDC1/3UDC1/3UDC-2/3UDC通过CLARK变换(3s/2s变换)可以将三相电压转换为 - 两相静止坐标系电压,其空间电压矢量图如图2所示。图3

9、系统硬件框图控制器控制大功率交流电机的运行,必须考虑散热问题,为此控制器设计了两块电路板:控制电路板和功率电路板。控制电路板放置DSP、电流检测模块、串口通信模块、开关量输入/输出模块等。功率电路板放置SVPWM控制部分、旋转编码器检测部分及IGBT逆变器部分。功率板的电源由车载蓄电池供电,而控制板的电源则由功率板通过接口P1图2 空间电压矢量图传给控制板。同样,控制板通过接口P2将SVPWM控制信号及其他控制信号传给功率板。(1)电流检测在系统中采用了Allegro公司的3503霍尔传感器来检测电流,其工作电压为5V。用两个3503检测A相和B相的电流,输出为05V,经过运算放大器后得到03

10、.3V的电压,与DSP的A/D引脚相连,即可得到电流的反馈值。由图2可以看出,可以通过控制6个功率管控制电压向量的大小和方向,进而控制磁通的大小与方向。在每两个向量中,插入若干方向介于两个向量的大小恒定的子向量,则可以产生幅值稳定的、旋转的圆形电压向量,其中关键是计算各矢量持续的时间。在图2中可以看到,若参考电压Vout在V1、V2V1、2008年第1期 工业仪表与自动化装置35在系统中采用OMRON公司的旋转编码器,采用E6B2-CWZ6C,有A、B、Z三路输出,其中A、B用于测速,Z脉冲用来检测M/T的坐标旋转角 。A、B输出两路相差90 的方波脉冲,经过光电隔离后直接送入DSP的正交编码

11、脉冲接口单元(QEP),则可以获得电机的转速和 角信息。(3)SVPWM输出和功率驱动TMS320LF2407A是一款专门用来控制电机的芯片,包括两个EV模块,每个EV模块可产生6路具有可编程死区和可变输出极性的PWM信号,编程初始化EVA模块,输出PWM来控制主电路的IGBT,实现逆变输出。(4)串行通信为了使产品更具竞争力和方便调试,控制器利用DSP中的SCI通信模块实现了主机与控制器的串行通信。通信电路采用MAX232芯片,通过对SCI模块的编程可以实现串行通信:在调试时,可以将DSP程序中的各种变量和信息通过串口在主机上实时打印出来,也可以通过串口对程序进行实时修改,极大的降低了调试难

12、度,节省了调试时间。(5)辅助电路为了提高控制器的总体性能,设计中增加了一些辅助电路:LED闪烁电路不但可以显示系统是否正常工作,还可以在出错时通过闪烁方式的改变来显示出错代码,用户可以通过对照使用手册找出故障原因;液晶显示电路可以显示电机的转速和三相电流的数值,更加方便了用户的使用;保护电路,利用TMS320LF2407A的引脚PDPINTA实现保护,当过流或其他严重错误发生时,该引脚可以产生中断,关断PWM的输出,从而保护整个系统。2 3 软件部分系统控制程序由主程序和波形产生中断子程序组成。主程序完成外部监控、系统保护、LED显示、转速和电流数值显示等I/O接口功能。主程序流程图如图4所

13、示。系统大部分功能通过内部的波形产生中断子程序完成。在系统中,通过EV模块内部定时器1的周期中断,设定一个周期中断时间为100 s,在此时间内完成系统一个采样周期的设定。在周期中断子程序中,系统主要完成的功能有两相电流的采样、转速采样、M/T的坐标旋转角 采样以及SVPWM输出等。SVPWM算法实现步骤为:(1)将采样的三相电流值计算参考电压矢量的模,图5 参考电压矢量计算结构图4 主程序流程图ANN1为3s/2r变换子网络,采用二层BP网络。ANN2为电压矢量的模|Vout|和角 的计算子网络,采用三层BP网络。在MATLAB中采用常规的计算方法获得训练数据,进行离线训练、学习。(2)得到 后,则可确定参考电压所在的扇区,将 分别于0, /3,2 /3, ,4 /3,5 /3比较,可知道所在的扇区,用简单的三层感知器就可以实现。知道所在扇区以后,可以容易的计算出开关的导通时间,从而发出SVPWM信号。3 结束语采用高性能的DSP与SVPWM相结合的交流电机控制器是将来发展的必然趋势,该设计中又引入了神经网络技术提高精度和准确度,配合以辅助电路,提高了整个系统的性能,完全适合现代交流电机控制的要求。参考文献:1