1.全数字化矢量控制系统硬件构成

数字信号处理器（DSP）具有硬件简单、控制算法灵活、抗干扰性强、无漂移、兼容性好等特点，现已广泛应用于交流电机控制中。下面对一个DSP的核心功能进行简要描述：

●10～100ns的指令周期；

●单个周期的相乘和乘方运算；

●单周期寻址和算法；

●单周期的可执行指令；

●单周期堆栈推移；

●大于等于16位的字长；

●植于芯片上的内存；

●和外部实际物理信号快速有效的连接。

图4-15为一个基于DSP的数字控制系统在电机控制中的典型应用框图。

图4-15 数字化异步电机控制系统框图

在这个系统中，各个模块的功能如下：

1）给定值产生模块的作用为

●多项式拟合；

●模块查表及插值。

2）数字控制模块的作用为

●实现PID调节器算法；

●参数/状态估计；

●磁场定向控制（FOC）变换；

●无速度传感器算法；

●自适应控制算法。

3）驱动给定/PWM发生模块的作用为

●PWM发生；

●AC电机的换向控制；

●功率因数校正（PFC）；

●高速弱磁控制；

●直流纹波补偿。

4）信号转换及信号调理模块的作用为

●A-D转换控制；

●数字滤波。

在交流电机控制中，DSP所特有的高速计算能力，可以用来增加采样频率，并且完成复杂的信号处理和控制算法，控制电力电子外围设备，以实现电机的控制和调速。PID调节器算法、卡尔曼滤波、快速傅里叶变换（FFT）、状态观测器、自适应控制及智能控制等，均可利用DSP在较短的采样周期内完成。在自适应控制中，系统参数、状态变量可以通过状态观测器加以辨识。因此利用DSP的信号处理能力还可以用来减少传感器的数量（比如位置、速度和磁链传感器）。

电机控制专用DSP灵活的PWM发生，为电机控制带来了许多的便利；可产生高分辨率的PWM波形，可灵活实现PWM控制，以减小电磁干扰（EMI）和其他噪声问题，多路PWM输出可以进行多电机控制。另外，现成的第三方设备和软件、硬件开发工具简化了外围器件和DSP控制器间的连接及系统开发过程。

2.数字化矢量控制系统的软件构成

下面结合TI公司的电机控制专用DSP，介绍几种电机控制中采用的坐标变换等常用程序模块软件实现方法。为了便于读者理解，程序代码使用TI公司的TMS320F28335的浮点C语言。

（1）克拉克变换（Clark Transform） 克拉克变换是从三相坐标系到两相静止坐标系的变换，是交流电机控制系统中最常用的一种坐标变换。

如果考虑无中性线的电机系统中的三相电压和电流之和为零的关系，上式还可以进一步得到简化。

附：克拉克变换的例程：

（2）派克变换（Park Transform） 派克变换是矢量控制系统中常用的旋转变换，具有如下形式：

附：派克变换的例程：

（3）三角函数的计算 TMS320C28x系列DSP在片内的引导ROM中内置了三角函数表，包括正弦表、余弦表和反正切表，所以可以直接调用对应的三角函数，由编译器自动生成底层的查表程序，进行查表使用。具体指令可以查阅DSP的文档。(www.daowen.com)

（4）CAP（捕获）模块和QEP（正交编码脉冲）解码模块 在DSP中，一般使用QEP模块和捕获模块对电机进行测速。光电编码器输出的脉冲一般有A、B和Z信号（Index信号），A信号和B信号在电机转子一圈输出相同数目的脉冲，并且互相错开1/4周期如图4-16所示。A和B的相对相位信息可以用来判断电机的转向。

图4-16 光电编码器及输出脉冲信号

1）QEP解码模块

●译码器输出直接连到DSP。

●内部逻辑电路可以检测转子转动方向。

●一个定时器可与QEP解码模块结合起来为位置信号计数，并且自动根据电机转向来进行增或者减计数，所以知道了初始位置的偏置，就可以实时根据计数器的值来得到转子机械位置。

●可以产生不同的中断。

DSP的QEP单元的计数器是可读的，需要知道转子机械位置的时候，只需要去读取一下这个寄存器中的数值，然后进行简单的代数运算就可以得到电机转子的角度，如图4-17所示。

知道了转子的位置后，通过微分运算就可以得到转子转速。在实际实现中，一般是每隔固定的时刻来读取一次转子位置信息，然后做微分计算来求得转子转速。

由于DSP的计数器会自动根据电机的转向来选择增还是减计数，所以位置差中已经包含了转速的方向信息。

在TMS320F2812的程序中，一般采用定时中断来对QEP计数器的值进行读取，然后根据上式来计算转子转速。但是，定时中断来读取QEP计数器，由于需要有中断响应、程序执行和其他中断的打断等因素，对计数值进

图4-17 使用QEP解码模块实现位置判断的程序流程

行采样的时刻并不是非常准确的。所以在TMS320F28335DSP中，其QEP单元自带一个定时器，通过配置可以让DSP的硬件在一定的时刻自动把QEP计数器的数值读取到一个特定的寄存器中，然后再去读取这个寄存器中的数值。这样就保证了采样时刻的准确性。

使用QEP解码模块实现位置和转速计算的TMS320F28335程序可分为初始化程序和转速、位置计算程序。

其中，QEP模块初始化程序如下：

2）捕获（CAP）模块

QEP解码模块中，电机的转子转速是根据一定时间间隔内，码盘输出的脉冲数来计算得到的，这种计算方法在高速区域精度比较高，又被称为测频法。但是在低速区域，在单位时间内，码盘转过的脉冲数可能很少，这时候码盘的量化误差的影响就非常大，所以在低速区域，一般采用捕获（CAP）方式来计算电机的转速。

捕获方式的原理是让DSP来捕获码盘输出的脉冲的上升或者下降沿，这两个沿就代表了电机转过的角度。同时设定一个定时器计算两次捕获之间所经历的时间，这样就可以计算得到电机的转速。由于电机转速较低，所以两次捕获的时间间隔较长，定时器的量化误差影响就较小。

CAP模块具有下列功能：

●配合一个定时器，捕获单元可以检测上升、下降的时刻。

●可以有效地减少输入信号抖动现象。

●捕获单元的处理结果保存在FIFO中，以简化软件实现的复杂程度。

●捕获事件可以触发中断。

●捕获事件还可用来触发其他功能，例如，触发一个从模拟到数字的转换过程。

在TMS320F2812及其之前的DSP中，QEP/CAP模块要么运行在QEP方式，要么运行在CAP方式，所以需要在电机的某个转速下对模块的功能进行切换。一般设置捕获事件来触发中断，用DSP内部时钟来触发定时器，在捕获中断中读取定时器的值，并计算得到跟上次捕获之间的时间间隔，从而计算得到转速。CAP模块会在捕获发生的时刻，把定时器的值放入FIFO堆栈中，所以也可以在其他程序中定时读取FIFO堆栈的值。CAP模块采用两级FIFO，同时有堆栈状态寄存器，来记录从上次读取到目前位置发生了几次堆栈写入操作，因此读取的时候要根据FIFO堆栈的状态寄存器的值，来判断需要读取上层还是底层的数值，如图4-18所示。

图4-18 CAP模块结构

而TMS320F28335中，该模块可以同时运行在QEP和CAP方式。

初始化程序：

（5）数字PID调节器 在电机闭环控制中，PID调节器应用得非常广泛，例如转速、磁链、转矩、电流等调节器，都采用PID的形式。

写成离散形式为

PID调节器的输出一般是系统中的控制量，实际系统中，控制量都有一定的限制，如电机上的电压给定值、转矩给定值等。所以一般在PID调节器的输出施加一定的限幅值。PID调节器中的积分项容易引起控制量的超调，为了减小这种现象，一般也需要对积分项进行一定的改进，在PID调节器的输出达到限幅值时，就停止对积分项的累加，从而有效地减小超调量。

PID调节器的数字化实现方法如图4-19所示。

图4-19 PID调节器的数字化实现方法

带输出限幅的PI调节器程序：