CN1825752A - 一种滑模变结构直接转矩伺服驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑模变结构直接转矩伺服驱动装置，由整流逆变输出电路、控制电路和控制对象三个部分。整流逆变输出电路包括整流滤波单元和IPM逆变单元。控制电路包括DSP处理器、IPM隔离驱动和保护电路、电流采样电路、电压采样电路。控制对象为一台三相永磁同步电动机。该装置的控制通过嵌入控制电路DSP处理器中的控制程序实现。本发明装置省去了速度传感器，节约了成本；采用滑模控制算法提高控制***的抗干扰能力，克服由于各种外界扰动而引起控制***不稳定；本装置控制精度高，能够适用于调速性能要求较高的场合。

Description

一种滑模变结构直接转矩伺服驱动装置

技术领域

本发明属于电气传动技术领域，特别涉及一种滑模变结构直接转矩伺服驱动装置。

背景技术

当前，国际交流调速技术的发展相当迅速，各种应用先进控制策略的变频器层出不穷。相比之下，我国的交流调速技术起步较晚，虽然近年来发展较快，但与西方发达国家的发展水平仍有不小的差距。随着现代工业的发展，对交流调速技术的要求越来越高，因此研制开发高性能的交流调速装置是一项紧迫的任务，对我国国民经济的发展具有重要的意义。直接转矩控制以其控制算法实现简单、良好的动态性能以及对电机参数信赖性小等优点成为了一种最具潜力的新技术。1995年瑞典ABB公司第一台采用直接转矩控制方案的异步电机高档变频器才面世，他们认为直接转矩控制将是下一代交流电机的最优秀的控制方式。在实际应用中，安装速度传感器既增加装置成本，又降低装置可靠性，因此直接转矩控制无速度传感器技术成为了一个热门方向，但是直接转矩控制低速时磁链和转矩脉动大，这是阻碍其发展的主要缺点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于空间矢量调制技术的滑模变结构直接转矩伺服驱动装置。

本发明装置的结构如图1所示，包括整流逆变输出电路、控制电路和控制对象三个部分。整流逆变输出电路包括整流滤波单元和IPM逆变单元。控制电路包括DSP处理器、IPM隔离驱动和保护电路、电流采样电路、电压采样电路。控制对象为一台三相永磁同步电动机。IPM逆变单元主电源输入P、N端与整流电路输出相连，电压采样电路采集P、N间电压差，IPM输出端子U、V、W与永磁同步电机相连，V、W通过两个霍尔电流传感器再与两路电流采样电路相连。IPM的16路控制端子与IPM隔离驱动保护电路相连，IPM隔离驱动的输入和保护电路的输出以及电流、电压采样电路输出与DSP处理器相连。

整流逆变输出电路如图2所示，隔离变压器与调压器连接后经两触点K连接到整流桥，整流桥中二极管的阳极连接到IPM主电源的N端，二极管的阴极连接到IPM主电源的P端，IPM输出的三相电流通过输出端子U，V，W接至三相电动机。P、N为变频器的整流变换平滑滤波后的IPM主电源输入端子，P为正端，N为负端，B为制动输出端子。其中隔离变压器起到保护的作用；整流滤波单元采用桥式不可控制整流方式，大电容滤波，这样可以获得适合于IPM工作的恒定电压。逆变单元IPM主电源输入(P，N)，制动输出(B)，输出端子(U，V，W)，主端子用M5螺钉，可实现电流传输。

控制电路的核心为TMS320LF2407处理器，采用LF2407评估版(LF2407EVM板)，其***电路配置框图如图3，EVM板主要的接口包括目标只读存储器、模拟接口、CAN接口、串行引导ROM、用户指示灯和开关、RS232接口、SPI数据接口和扩展接口。本装置必要部分还包括电源、晶振、JTAG接口、128K字长无延迟静态存储器、模拟外扩接口、PWM外扩接口。

本驱动装置中用到的LF2407评估板几个部分的电路连接关系是：TMS320LF2407的地址总线分别接静态存储器U3、U4的地址总线以及地址外扩口P3。TMS320LF2407的数据总线分别接U3、U4的数据总线以及地址外扩口P3。TMS320LF2407的读写使能管脚分别接U3、U4的17、41管脚。TMS320LF2407的程序空间选通管脚接U3的6管脚，TMS320LF2407的数据空间选通管脚接U4的6管脚。TMS320LF2407的JTAG管脚接P5，P5与仿真器的一端相连，另一端通过打印口与PC机相连。TMS320LF2407的模数转换管脚分别接模拟外扩口P2的23、24、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、19、20管脚。TMS320LF2407事件管理器的PWM接口外扩到P1的3、4、5、6、7、8、12、13、14、9、10、11、21、22、24管脚、P4的20、25、26、27、29管脚。TMS320LF2407的123管脚外接15M晶振U22的1管脚。TMS320LF2407的模拟参考电源管脚116、117分别接U19的4和11管脚。TMS320LF2407的数字参考电源管脚29、50、86、129、4、42、67、77、95、141接3.3V电压源模块U12的17、18和19管脚。TMS320LF2407的28、49、85、128、3、41、66、76、94、125、140管脚接数字地即U12的9和10管脚。

如图5(a)所示IPM隔离驱动电路，其输入端PORT6的1、3、4、5、6、7接到评估版P1的3、4、5、6、7、8管脚，图5(b)所示IPM保护电路中IPM的故障输出信号通过光耦接到TMS320LF2407的7管脚外扩为P1的26管脚。

图6为电流采样电路原理图，其输入为两相霍尔电流传感器的输出信号，霍尔电流传感器由正负15的直流稳压电流供电，其输入是将电机的U、V、W的任意两相导线从霍尔电流传感器的中心穿过环绕两圈，相应的输出就会感应出1000:2的电流信号，定义为A相和B相，作为电流采样电路的输入，A、B相电流采样电路相同。电流采样电路通过对可调电阻503、可调电阻202的调节，将信号调整到0～3.3V之间，再将其送入DSP的AD转换管脚，在此选择EVM上P2的23和24管脚，其中放大器在电压和地间接去耦电容。

电压采样电路，霍尔电压传感器主边接IPM的P、N端，电压传感器输出信号M经如图7所示电路处理输出信号接DSP的AD转换管脚，在此选择EVM上P2的5管脚。

本发明装置的控制通过嵌入控制电路DSP处理器中的控制程序实现，其控制过程按以下步骤执行(如图8所示)：

步骤一、初始化；

步骤二、电机转子初始定位；

步骤三、允许INT1，INT2中断；

步骤四、启动T1下溢中断；

步骤五、中断等待；

步骤六、T1中断处理；

步骤七、保护中断处理；

步骤八、结束。

其中步骤七中保护中断处理过程按以下步骤执行(如图9所示)：

    步骤1  禁止所有中断；

    步骤2  封锁PIM；

    步骤3  中断返回。

步骤六中T1中断处理过程按以下步骤执行(如图10所示)：

    步骤1  保护现场；

    步骤2  电流电压采样；

    步骤3  电流电压数据处理；

    步骤4  磁链估计；

    步骤5  转矩估计；

    步骤6  是否速度调节，是进入步骤7，否则进入步骤9；

    步骤7  速度估计；

    步骤8  速度PI调节；

    步骤9  磁链和转矩滑模变结构控制器调节；

    步骤10 空间矢量调制；

    步骤11 恢复现场；

    步骤12 中断返回。

在步骤六中T1下溢中断过程主要完成无速度传感器滑模变结构直接转矩控制计算。

进入中断以后首先保护现场，然后启动AD转换，把由***电路送回来的电流、电压值采集到DSP当中。采集回来的数据首先是存储在各自的结果寄存器(RESUTLx)当中，从结果寄存器读出电流、电压值，对电流进行坐标变换得到静止坐标系下两相电流值。第一次进入中断时，由于电机转子进行了初始定位，所以可以得到第一次静止坐标系下两相电压的值。得到了电流电压的值就可以进行磁链的估计，进而进行转矩估计。速度环对响应速度的要求远远没有磁链和转矩环对响应速度的要求那样高，因此规定每一次T1下溢中断都要进行磁链和转矩的调节，而每20次中断才进行一次速度的估计和PI调节。因此在进入速度估计和PI调节之前要进行一下判断是否要进入速度调节。速度估计采用以下算法实现：

${\mathrm{\ω}}_r(k+1)={\mathrm{\ω}}_s(k+1)=\frac{(V_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-(V_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\α}}(k\left)\right){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}(k)}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}{\left(k\right)}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}{\left(k\right)}^2}$

式中下标α，β代表静止两项坐标系；

ω_r(k+1)——第k+1次的转子速度估计值；

ω_s(k+1)——第k+1次的定子磁场旋转速度估计值；

V——电压；i——电流；ψ——定子磁链；

k——第k次采样或计算结果。

得到了速度估计值，在与速度给定值做差得到速度误差，进行速度PI调节，输出转矩的给定值。

速度估计值得到以后对转子的位置进行估计用下式即可实现：

                       θ_r(k+1)＝θ_r(k)+ω_r(k)ΔT

由AD采样回来的直流母线电压，在查转子位置估计θ_r的正余弦表，得到(α，β)坐标系下V_α(k+1)和V_β(k+1)的值，以用于下一次转子的速度估计。

根据给定的直流电的电流值和电流采样电路采样的电流值计算得到磁链转矩的给定值和估计值，使用滑模变结构控制器对这两个量进行调节。

滑模变结构控制器的输入分别为磁链和转矩的误差，输出为静止坐标系下α，β轴的电压分量。

${\underset{\‾}{V}}_{\mathrm{ref}}=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ V_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]=-{\underset{\‾}{D}}^{-1}\left(k\right)\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\μ}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\μ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{sign}\left(S_1\right)\\ \mathrm{sign}\left(S_2\right)\end{array}\right]$

其中 ${\underset{\‾}{D}}^{-1}\left(k\right)=\frac{1}{\left|D\right|}\left[\begin{array}{cc}-{2\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)& \frac{3}{2}p(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)}{L_s}-i_{\mathrm{\α}}\left(k\right))\\ {2\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)& -\frac{3}{2}p(i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)}{L_s})\end{array}\right]$

$\left|D\right|=3p[({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)i_{\mathrm{\β}}\left(k\right))-\frac{1}{L_s}(({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}{\left(k\right)}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}{\left(k\right)}^2)]$

$\mathrm{sign}\left(S_i\right)=\left\{\begin{array}{c}1,S_i>{\mathrm{\&lambda;}}_i\\ -1,S_i<{-\mathrm{\&lambda;}}_i\\ \frac{S_i}{{\mathrm{\&lambda;}}_i},\left|S_i\right|<{\mathrm{\&lambda;}}_i\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1=e_T\left(k\right)+K_1\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_T\left(i\right)-e_T\left(0\right)\\ S_2=e_{\mathrm{\&psi;}}\left(k\right)+K_2\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_{\mathrm{\&psi;}}\left(i\right)-e_{\mathrm{\&psi;}}\left(0\right)\end{array}\right.$

式中p——电机极对数；L_s——定子绕组电感；μ₁，μ₂——滑模系数；

i＝1，2，λ_i——滑模BL(Boudary layer)的宽度；

K₁，K₂——滑模增益。

得到的静止坐标系下的电压给定值即为空间矢量调制(SVPWM)的输入，再利用空间矢量调制(SVPWM)技术生成相邻两个电压矢量的作用时间，转化成相应的值写入三个比较寄存器(CMPRx)，输出相应的PWM信号驱动IPM，最终进行电机的伺服控制。

本发明装置省去了速度传感器，节约了成本；采用滑模控制算法提高控制***的抗干扰能力，克服由于各种外界扰动而引起控制***不稳定；本装置控制精度高，能够适用于调速性能要求较高的场合。

附图说明

图1为本发明装置结构图；

图2为本发明装置整流逆变输出电路原理图；

图3为本发明装置中DSP处理器及***电路配置框图；

图4(1)为DSP处理器及其部分***电路原理图，       (2)为DSP***晶振电路原理图，

   (3)为P5的电路原理图，

   (4)为电压模块TPS73HD318及其***电路原理图，

   (5)为地址外扩口P3的连接关系图，              (6)为控制口P4的连接关系图，

   (7)为模拟外扩口P2的连接关系图，              (8)为外扩I/O口P1的连接关系图，

   (9)为RS232及其***电路原理图，               (10)为静态存储器U3的连接关系图，

   (11)为静态存储器U4的连接关系图，             (12)为U9(74LS245)的连接关系图，

   (13)为U2(74LS245)的连接关系图，

   (14)为U19、U16、U10、U14、U8、U1及其***电路原理图，

   (15)为U17的连接关系图，

   (16)为U20(TLC2274)及其***电路原理图，       (17)为U13C、B的***电路原理图，

   (18)为U13F***电路原理图，                   (19)为U7及其***电路原理图，

   (20)为U20及其***电路原理图，

   (21)为JP16、JP6的***电路原理图，

   (22)JP9的***电路原理图，                    (23)为JP5的***电路原理图，

   (24)JP8的***电路原理图，

   (25)为J1、J2、JP7和开关SW3的***电路原理图，

   (26)为U11(74LS245)的连接关系图，             (27)为U6、U5及其***电路原理图，

   (28)为为L7、C28的连接关系图，                (29)为5VO的电路原理图，

   (30)为L3的连接关系图，

   (31)为L6、C7、C44、C55、C52、C53C51的连接关系图，

   (32)为L1、C2、C13、C27、C49的连接关系图；

图5(a)为IPM隔离驱动电路原理图，(b)为IPM保护电路原理图；

图6(a)为A相电流采样电路原理图，(b)为B相电流采样电路原理图；

图7为本发明装置电压采样电路原理图；

图8为本发明装置的DSP处理器中控制程序流程框图；

图9为本发明装置的保护中断处理过程流程框图；

图10为本发明装置的T1中断处理过程流程框图。

具体实施方式

本发明装置的结构框图如图1所示，包括整流逆变输出电路、控制电路和控制对象三个部分。整流逆变输出电路包括整流滤波单元和IPM逆变单元。控制电路包括DSP处理器、IPM隔离驱动和保护电路、电流采样电路、电压采样电路。控制对象为一台三相永磁同步电动机。IPM逆变单元主电源输入P、N端与整流电路输出相连，电压采样电路采集P、N间电压差，IPM输出端子U、V、W与永磁同步电机相连，V、W通过两个霍尔电流传感器再与两路电流采样电路相连。IPM的16路控制端子与IPM隔离驱动保护电路相连，IPM隔离驱动的输入和保护电路的输出以及电流、电压采样电路输出与DSP处理器相连。

整流逆变输出电路如图2所示，隔离变压器与调压器连接后经两触点K连接到整流桥，整流桥中二极管的阳极连接到IPM主电源的N端，二极管的阴极连接到IPM主电源的P端，IPM输出的三相电流通过输出端子U，V，W接至三相电动机。P、N为变频器的整流变换平滑滤波后的主电源输入端子，P为正端，N为负端，B为制动输出端子。其中隔离变压器起到稳压，防止电网高频信号干扰整流逆变输出电路的作用；整流滤波单元采用桥式不可控制整流方式，大电容滤波，这样可以获得适合于IPM工作的恒定电压。逆变单元IPM主电源输入(P，N)，制动输出(B)，输出端子(U，V，W)，主端子用M5螺钉，可实现电流传输。

控制电路的核心为DSP处理器，采用EVM板可以对LF2407代码进行全速检验，包括544个字长的片上数据存储器、128K字长的板上存储器、片上只读闪烁存储器、片上UART和一个MP7680D/A转换器。板上安装的器件可使评估板解决各类问题。4个扩展接口，可提供给任何评估电路。评估电路是用户自行开发，可应用大量的用户界面来转化代码，从而缩短开发时间和周期。

LF2407EVM有以下的特征：

(1)LF2407运行速度达30MIPS并能实现128字长无延时存储；

(2)片上16个通道，10位模数转换器，自动排序；

(3)双事件管理器多重PWM和片上捕捉通道；

(4)DAC7654四通道数模转换器；

(5)带RS232驱动器的片上UART；

(6)带驱动的CAN接口；

(7)用户开关和发光二极管指示灯；

(8)4个扩展接口(数据地址、I/O、控制)；

(9)为可选的评估提供板上IEEE1149、1个JTAG接口；

(10)5V电压输入(3.3V板上调压器)。

LF2407EVM基本配置的方框图见图3，EVM板主要的接口包括目标只读存储器、模拟接口、CAN接口、串行引导ROM、用户指示灯和开关、RS232接口、SPI数据接口和扩展接口。LF2407接有128K字长无延迟静态存储器，一个扩展的I/O接口支持65000并行的I/O端口，片上CAN接口和RS232串口可用作扩展接口。本装置必要部分包括电源、晶振、JTAG接口、128K字长无延迟静态存储器、模拟外扩接口、PWM外扩接口。

DSP***对本装置必要部分电路的具体连接是(如图4所示)：TMS320LF2407如图4(1)的127、130、132、134、136、138、143、5、9、13、15、17、20、22、24、27管脚分别接静态存储器U3如图4(10)、U4如图4(11)(IS61LV6416)的7、8、9、10、13、14、15、16、29、30、31、32、35、36、37、38管脚以及地址外扩口P3如图4(5)的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16管脚。TMS320LF2407的80、78、74、71、68、64、61、57、53、51、48、45、43、39、34、31管脚分别接U3、U4的5、4、3、2、1、44、43、42、27、26、25、24、21、20、19、18管脚以及地址外扩口P3的19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34管脚。TMS320LF2407的93、89管脚接U3、U4的17、41管脚。TMS320LF2407的87管脚接U3的6管脚，TMS320LF2407的84管脚接U4的6管脚。TMS320LF2407的19、89、96、92、82、84、87管脚分别连接U17如图4(15)(GAL16V8)的4、5、6、7、8、9、10、11管脚。TMS320LF2407的90、91、135、139、142、144管脚分别接P5如图4(3)(JTAG)的13、14、9管脚和11、3、7、1管脚。TMS320LF2407的112、110、107、105、103、102、100、99、113、111、109、108、106、104、101、98管脚分别接模拟外扩口P2如图4(7)的23、24、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、19、20管脚。TMS320LF2407的56、54、52、47、44、40、16、18、8、65、62、59、55、46、38、6管脚分别接外扩I\O与PWM复用接口P1如图4(8)的3、4、5、6、7、8、12、13、14、9、10、11管脚、P4如图4(6)的25、26、27、29管脚。TMS320LF2407的83、79、88、81管脚接外扩I\O与PWM复用接口P1的21、22、24管脚和P4的20管脚。TMS320LF2407的123管脚外接15M晶振U22如图4(2)的1管脚。TMS320LF2407的模拟参考电源管脚116、117分别接U19如图4(14)(TLC2274)的4和11管脚。TMS320LF2407的数字参考电源管脚29、50、86、129、4、42、67、77、95、141接3.3V电压源模块U12如图4(4)(TOS73HD318)的17、18和19管脚。TMS320LF2407的28、49、85、128、3、41、66、76、94、125、140管脚接数字地即U12的9和10管脚。TMS320LF2407的25、19、26管脚分别接RS232接口U21的11、10和JP12的2管脚，如图4(9)所示。TMS320LF2407的72、70管脚分别接U7的1管脚和JP2的2管脚，如图4(19)所示。

图5(a)为IPM隔离驱动电路原理图。其输入端PORT6的1、3、4、5、6、7接到EVM P1的3～8管脚。驱动布线及屏蔽是IPM模块能否正常工作的关键。设计必须做到驱动电源隔离、布线合理、接地正确、屏蔽得当、同时尽量接退耦电容，减少寄生电容，以降低地磁噪音干扰，避免驱动误动作。值得指出的是IPM的自保护主要是针对非重复性瞬态故障，因此必须在有故障输出时，及时切断电路，在本装置中是通过如下措施来实现(如图5(b))：IPM的故障输出信号通过光耦接到TMS320LF2407的第7管脚外扩为P1的26管脚，以确保IPM发生故障时DSP及时将所有事件管理器输出脚置成高阻状态，从而避免严重的事故。

图6为电流采样电路原理图，其输入为两相霍尔电流传感器的输出信号，霍尔电流传感器由正负15的直流稳压电流供电，其输入是将电机的U、V、W的任意两相导线从霍尔电流传感器的中心穿过环绕两圈，相应的输出就会感应出1000:1的电流信号，定义为A相和B相，作为电流采样电路的输入，A、B相电流采样电路相同。图中可调电阻503是用来调节信号幅值的，可调电阻202是用来调节信号的偏移量的，通过对这两个电阻的调节，可以将信号调整到0～3.3V之间，再将其送入DSP的AD转换管脚，在此选择EVM上P2的23和24管脚。其中稳压管是为了防止送入DSP的信号超过3.3V，而损坏DSP。放大器采用OP07，接正负15V的电压，在电压和地间接去耦电容。电路输入端接阻容滤波，使得电流采样信号更精确。

电压采样电路原理图如图7所示，其电压输出信号接DSP的AD转换管脚，在此选择EVM上P2的5管脚。霍尔电压传感器接在整流器输出端的，来检测直流母线电压，它的原理是原边电压通过原边电阻转换为原边电流，该电流产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流精确地反映原边电压。需要将采样的所有信号转换到DSP可以接受的电压值范围以内，由DSP内部具有的AD转换电路采样到DSP内处理以后参与运算。

本装置由嵌入DSP处理器的控制程序进行控制，其控制过程按以下步骤执行：

    步骤一、初始化；

    步骤二、电机转子初始定位；

    步骤三、允许INT1，INT2中断；

    步骤四、启动T1下溢中断；

    步骤五、中断等待；

    步骤六、T1中断处理；

    步骤七、保护中断处理；

    步骤八、结束。

其中保护中断处理过程步骤如下：

    步骤1  禁止所有中断；

    步骤2  封锁PIM；

    步骤3  中断返回。

T1中断处理过程步骤如下：

    步骤1   保护现场；

    步骤2   电流电压采样；

    步骤3   电流电压数据处理；

    步骤4   磁链估计；

    步骤5   转矩估计；

    步骤6   是否速度调节，是进入步骤7，否则进入步骤9；

    步骤7   速度估计；

    步骤8   速度PI调节；

    步骤9   磁链和转矩滑模变结构控制器调节；

    步骤10  空间矢量调制；

    步骤11  恢复现场；

    步骤12  中断返回。

初始化包括关闭所有中断，DSP初始化，变量初始化，事件管理器初始化，AD初始化。

要实现直接转矩控制的无传感器的控制，转子的初始位置是需要确定的，给电机的定子通以一个已知大小的直流电，这样使定子产生一个恒定的磁场，这个磁场与转子的恒定磁场相互作用，迫使电机转子转到两个磁链重合的位置而停止，从而得到转子的初始相位。

转子初始定位之后就可以开相应的中断，进入中断等待，等待中断事件的产生，中断产生了以后就会按照定义好的中断向量表，跳转到相应的中断服务子程序进行相应的计算和处理。

中断服务子程序包括保护中断子程序和T1下溢中断服务子程序。

保护中断响应的是IPM的保护信号，属于外部中断，优先级比定时器T1中断高。IPM会在过流、过压等异常情况发生的时候自动发出保护信号，这一信号经转换接到DSP的功率驱动保护引脚PDPINTA。一旦有异常情况发生，DSP会进入保护中断响应子程序，首先禁止所有中断，然后在封锁PWM输出使得电机马上停转，起到保护电机和IPM的作用。

定时器采用增减计数方式，当定时器T1完成整个周期减计数至0时产生中断，同时定时器开始下一次增/减计数周期。定时器T1下溢中断属于中断级INT2，在初始化定时器时开中断屏蔽寄存器IMR和EVAIMRA的相应屏蔽位。当中断发生时，CPU指向中断向量表的相应地址，并置位中断标志IFR和EVAIFRA，CPU响应中断后，跳转到指定的通用中断服务程序，中断标志IFR自动清零，并置位中断方式位INTM，禁止其它所有可屏蔽的中断。EVAIFRA的中断标志位需软件清除。

在T1下溢中断子程序中，主要完成无速度传感器滑模变结构直接转矩控制算法。

进入中断以后首先保护现场，然后启动AD转换，把由***电路送回来的电流、电压值采集到DSP当中。采集回来的数据首先是存储在各自的结果寄存器(RESUTLx)中，从结果寄存器读出电流、电压值，对电流进行坐标变换得到静止坐标系下两相电流值。第一次进入中断时，由于电机转子进行了初始定位，所以可以得到第一次静止坐标系下两相电压的值。得到了电流电压的值就可以进行磁链的估计，进而进行转矩估计。速度环对响应速度的要求远远没有磁链和转矩环对响应速度的要求那样高，因此规定每一次T1下溢中断都要进行磁链和转矩的调节，而每20次中断才进行一次速度的估计和PI调节。因此在进入速度估计和PI调节之前要进行一下判断是否要进入速度调节。速度估计采用以下算法实现：

${\mathrm{\&omega;}}_r(k+1)={\mathrm{\&omega;}}_s(k+1)=\frac{(V_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right)){\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right)-(V_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right)){\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right))}{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}{\left(k\right)}^2+{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}{\left(k\right)}^2}$

式中下标α，β代表静止两项坐标系；

ω_r(k+1)——第k+1次的转子速度估计值；

ω_s(k+1)——第k+1次的定子磁场旋转速度估计值；

V——电压；i——电流；ψ——定子磁链；

k——第k次采样或计算结果。得到了速度估计值，在与速度给定值做差得到速度误差，进行速度PI调节，输出转矩的给定值。

速度估计值得到以后对转子的位置进行估计用下式即可实现：

                       θ_r(k+1)＝θ_r(k)+ω_r(k)ΔT

由AD采样回来的直流母线电压，在查转子位置估计θ_r的正余弦表，得到(α，β)坐标系下V_α(k+1)和V_β(k+1)的值，以用于下一次转子的速度估计。

根据给定的直流电的电流值和电流采样电路采样的电流值计算得到磁链转矩的给定值和估计值，使用滑模变结构控制器对这两个量进行调节。

滑模变结构控制器的输入分别为磁链和转矩的误差，输出为静止坐标系下α，β轴的电压分量。

${\underset{\&OverBar;}{V}}_{\mathrm{ref}}=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}(k+1)\\ V_{\mathrm{\&beta;}}(k+1)\end{array}\right]=-{\underset{\&OverBar;}{D}}^{-1}\left(k\right)\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\&mu;}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\&mu;}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{sign}\left(S_1\right)\\ \mathrm{sign}\left(S_2\right)\end{array}\right]$

其中

${\underset{\&OverBar;}{D}}^{-1}\left(k\right)=\frac{1}{\left|D\right|}\left[\begin{array}{cc}-{2\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right)& \frac{3}{2}p(\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right)}{L_s}-i_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right))\\ {2\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right)& -\frac{3}{2}p(i_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right)-\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right)}{L_s})\end{array}\right]$

$\left|D\right|=3p[({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right)i_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right)+{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}{\left(k\right)i}_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right))-\frac{1}{L_s}(({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}{\left(k\right)}^2+{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}{\left(k\right)}^2)]$

$\mathrm{sign}\left(S_i\right)=\left\{\begin{array}{c}1,S_i>{\mathrm{\&lambda;}}_i\\ -1,S_i<{-\mathrm{\&lambda;}}_i\\ \frac{S_i}{{\mathrm{\&lambda;}}_i},\left|S_i\right|<{\mathrm{\&lambda;}}_i\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1=e_T\left(k\right)+K_1\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_T\left(i\right)-e_T\left(0\right)\\ S_2=e_{\mathrm{\&psi;}}\left(k\right)+K_2\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_{\mathrm{\&psi;}}\left(i\right)-e_{\mathrm{\&psi;}}\left(0\right)\end{array}\right.$

式中p——电机极对数；L_s——定子绕组电感；μ₁，μ₂——滑模系数；

i＝1，2，λ_i——滑模BL(Boudary layer)的宽度；

K₁，K₂——滑模增益。

得到的静止坐标系下的电压给定值即为空间矢量调制(SVPWM)的输入，再利用空间矢量调制(SVPWM)技术生成相邻两个电压矢量的作用时间，转化成相应的值写入三个比较寄存器(CMPRx)，输出相应的PWM信号驱动IPM，最终进行电机的伺服控制。

Claims (7)

1.一种滑模变结构直接转矩伺服驱动装置，包括整流逆变输出电路、控制电路和控制对象三个部分；整流逆变输出电路包括整流滤波单元和IPM逆变单元；控制电路包括DSP处理器、IPM隔离驱动和保护电路、电流采样电路、电压采样电路；控制对象为一台三相永磁同步电动机；IPM逆变单元主电源输入P、N端与整流电路输出相连，电压采样电路采集P、N间电压差，IPM输出端子U、V、W与永磁同步电机相连，V、W通过两个霍尔电流传感器再与两路电流采样电路相连，IPM的16路控制端子与IPM隔离驱动保护电路相连，IPM隔离驱动的输入和保护电路的输出以及电流、电压采样电路输出与DSP处理器相连。

2.根据权利要求1所述的一种滑模变结构直接转矩伺服驱动装置，其特征在于所述的整流逆变输出电路中隔离变压器与调压器连接后经两触点K连接到整流桥，整流桥中二极管的阳极连接到IPM主电源的N端，二极管的阴极连接到IPM主电源的P端，IPM输出的三相电流通过输出端子U，V，W接至三相电动机。

3.根据权利要求1所述的一种滑模变结构直接转矩伺服驱动装置，其特征在于所述的控制电路中DSP处理器采用TMS320LF2407评估版，TMS320LF2407评估版的地址总线分别接静态存储器U3、U4的地址总线以及地址外扩口P3，TMS320LF2407评估版的数据总线分别接U3、U4的数据总线以及地址外扩口P3，TMS320LF2407评估版的读写使能管脚分别接U3、U4的17、41管脚，TMS320LF2407评估版的程序空间选通管脚接U3的6管脚，TMS320LF2407评估版的数据空间选通管脚接U4的6管脚，TMS320LF2407评估版的JTAG管脚接P5，P5与仿真器的一端相连，另一端通过打印口与PC机相连，TMS320LF2407评估版的模数转换管脚分别接模拟外扩口P2的23、24、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、19、20管脚，TMS320LF2407评估版事件管理器的PWM接口外扩到P1的3、4、5、6、7、8、12、13、14、9、10、11、21、22、24管脚、P4的20、25、26、27、29管脚，TMS320LF2407评估版的123管脚外接15M晶振U22的1管脚，TMS320LF2407评估版的模拟参考电源管脚116、117分别接U19的4和11管脚，TMS320LF2407评估版的数字参考电源管脚29、50、86、129、4、42、67、77、95、141接3.3V电压源模块U12的17、18和19管脚，TMS320LF2407评估版的28、49、85、128、3、41、66、76、94、125、140管脚接数字地即U12的9和10管脚，TMS320LF2407评估版外括接口P1的3、4、5、6、7、8管脚直接接到IPM隔离驱动和保护电路的输入端PORT6的1、3、4、5、6、7，IPM的故障输出信号通过光耦接到TMS320LF2407评估版的7管脚外扩为P1的26管脚，TMS320LF2407评估版外扩接口P2的23和24管脚分别连接A、B两相电流采样电路的输出，TMS320LF2407评估版外扩接口P2的5管脚连接电压采样电路的输出。

4.权利要求1所述的一种滑模变结构直接转矩伺服驱动装置，其特征在于该装置的控制过程按以下步骤执行：

步骤一、初始化；

步骤二、电机转子初始定位；

步骤三、允许INT1，INT2中断；

步骤四、启动T1下溢中断：

步骤五、中断等待；

步骤六、T1中断处理；

步骤七、保护中断处理；

步骤八、结束。

5.根据权利要求4所述的一种滑模变结构直接转矩伺服驱动装置，其特征在于步骤七中保护中断处理过程按以下步骤执行：

步骤1、禁止所有中断；

步骤2、封锁PIM；

步骤3、中断返回。

6.根据权利要求4所述的一种滑模变结构直接转矩伺服驱动装置，其特征在于步骤六中T1中断处理过程按以下步骤执行：

步骤1、保护现场；

步骤2、电流电压采样；

步骤3、电流电压数据处理；

步骤4、磁链估计；

步骤5、转矩估计；

步骤6、是否速度调节，是进入步骤7，否则进入步骤9；

步骤7、速度估计；

步骤8、速度PI调节；

步骤9、磁链和转矩滑模变结构控制器调节；

步骤10、空间矢量调制；

步骤11、恢复现场；

步骤12、中断返回。

7.根据权利要求6所述的一种滑模变结构直接转矩伺服驱动装置，其特征在于步骤9中磁链和转矩滑模变结构控制器调节，滑模变结构控制器的输入分别为磁链和转矩的误差，输出为静止坐标系下α，β轴的电压分量，依下式计算：

${\underset{\&OverBar;}{V}}_{\mathrm{ref}}=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}(k+1)\\ V_{\mathrm{\&beta;}}(k+1)\end{array}\right]=-{\underset{\&OverBar;}{D}}^{-1}\left(k\right)\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\&mu;}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\&mu;}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{sign}\left(S_1\right)\\ \mathrm{sign}\left(S_2\right)\end{array}\right]$

其中

${\underset{\&OverBar;}{D}}^{-1}\left(k\right)=\frac{1}{\left|D\right|}\left[\begin{array}{cc}-2{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right)& \frac{3}{2}p(\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right)}{L_s}-i_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right))\\ 2{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right)& -\frac{3}{2}p(i_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right)-\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right)}{L_s})\end{array}\right]$

$\left|D\right|=3p[({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right)i_{\mathrm{\&alpha;}}\left(k\right)+{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right)i_{\mathrm{\&beta;}}\left(k\right))-\frac{1}{L_s}\left(({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}{\left(k\right)}^2+{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}{\left(k\right)}^2)\right)]$

$\mathrm{sign}\left(S_i\right)=\left\{\begin{array}{c}1,S_i>{\mathrm{\&lambda;}}_i\\ -1,S_i<-{\mathrm{\&lambda;}}_i\\ \frac{S_i}{{\mathrm{\&lambda;}}_i},\left|S_i\right|<{\mathrm{\&lambda;}}_i\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1=e_T\left(k\right)+K_1\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_T\left(i\right)-e_T\left(0\right)\\ S_2=e_{\mathrm{\&psi;}}\left(k\right)+K_2\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}_{\mathrm{\&psi;}}\left(i\right)-e_{\mathrm{\&psi;}}\left(0\right)\end{array}\right.$

式中p——电机极对数；L_s——定子绕组电感；μ₁，μ₂——滑模系数；

ψ——定子磁链；k——第k次采样或计算结果；

i＝1，2，λ_i——滑模BL(Boudary layer)的宽度；

K₁，K₂——滑模增益。

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