研旭着力于嵌入式领域、电气领域进行上下游产品的研发、生产、销售

产品展示

首页

产品展示

PRODUCTS

基于 DSP28335 的永磁同步电机DTC控制实战教程

直接转矩控制常用于希望获得较快转矩响应的交流调速场合，例如负载突变较明显的小功率伺服、教学实验平台和需要快速观察转矩变化的电机控制样机。它的优点是控制目标直接指向磁链和转矩，动态响应直观；不足是对参数、采样、母线电压和速度反馈比较敏感，低速区若磁链估算不稳，转矩输出也会随之波动。本例程与传统滞环比较器加开关表的DTC控制不同，保留SVPWM调制方式，在FOC框架中增加磁链环和转矩环，磁链环输出d轴电压，转矩环输出q轴电压。本文以YXDSP-EMBOXC-01 PMSM-100W-DTC工程为例，说明这类DTC-SVM控制在研旭小功率带载电机实验箱上的实现和调试方法。

关键词：

DSP28335

DTC控制

永磁同步电机

SVPWM调制

所属分类：

嵌入式开发套件

嵌入式开发板

DSP实验箱

联系我们

产品描述

前言

直接转矩控制常用于希望获得较快转矩响应的交流调速场合，例如负载突变较明显的小功率伺服、教学实验平台和需要快速观察转矩变化的电机控制样机。它的优点是控制目标直接指向磁链和转矩，动态响应直观；不足是对参数、采样、母线电压和速度反馈比较敏感，低速区若磁链估算不稳，转矩输出也会随之波动。

本例程与传统滞环比较器加开关表的DTC控制不同，保留SVPWM调制方式，在FOC框架中增加磁链环和转矩环，磁链环输出d轴电压，转矩环输出q轴电压。本文以YXDSP-EMBOXC-01 PMSM-100W-DTC工程为例，说明这类DTC-SVM控制在研旭小功率带载电机实验箱上的实现和调试方法。

一、DTC-SVM控制原理

1.1 DTC与DTC-SVM

传统DTC通常根据转矩误差、磁链误差和磁链扇区直接选择逆变器电压矢量。它的控制结构非常直接，但开关频率和转矩脉动往往不够均匀。DTC-SVM则把“直接控制转矩和磁链”的目标保留下来，把最终电压矢量交给SVPWM合成，从而让开关频率和调制输出套用常规矢量控制。

本工程采用的就是后一种结构。速度环给出转矩参考，磁链参考与估算磁链形成磁链误差，转矩参考与估算转矩形成转矩误差，两个PI环分别生成d轴和q轴电压指令，再通过反Park变换和SVPWM更新三相PWM。这种结构的本质是通过q轴电流直接控制转矩。

1.2 磁链与转矩估算

磁链描述的是电机内部磁场建立的程度。对于近似表贴式永磁同步电机，d轴磁链主要由永磁体磁链和d轴电流产生的磁链组成，q轴磁链主要来自q轴电流。工程中的磁链估算先在d/q坐标系计算磁链分量，再反变换到α/β坐标系。

式中，ψd和ψq分别表示d/q轴磁链，Ld和Lq表示d/q轴电感，id和iq为d/q轴电流，ψf为永磁体磁链。定子磁链幅值用于与磁链给定比较。工程把d/q轴磁链反变换到α/β坐标系后，再计算磁链幅值。

式中，ψα和ψβ表示静止坐标系下的磁链分量，|ψs|表示定子磁链幅值。这个量并不直接描述某一相电流，而是描述电机磁场状态的整体强弱。

转矩估算反映的是当前q轴电流和永磁体磁链共同产生的电磁转矩。本工程使用简化表贴式PMSM转矩模型：

式中，Te表示电磁转矩估计值，p表示极对数，ψf表示永磁体磁链，iq表示q轴电流。该公式的作用是把转矩反馈压缩成一个便于闭环比较的量，后续转矩环就围绕Te与转矩参考之间的误差工作。

1.3 双环电压指令生成

DTC-SVM的控制指令形式是电压矢量。磁链环根据磁链误差生成d轴电压，转矩环根据转矩误差生成q轴电压。

式中，ud*和uq*分别是d/q轴电压指令，ψref为磁链给定，Tref为转矩给定。工程随后用当前电角度把电压指令转换到α/β坐标系，并用母线电压Vdc归一化后送入SVPWM。这样既保留DTC对磁链和转矩的直接调节目标，又避免开关表输出造成的离散矢量跳变。

二、硬件设计与故障指令

2.1 硬件整体架构

本例程面向研旭小功率电机带载控制实验箱和100W永磁同步电机台架。硬件接线图如下：

2.2接线检查和故障指令

GPIO48和GPIO59参与PWM/辅助使能，故障动作中会同时DisablePWM和DisablePWM1。

GPIO12配置为TZ1作为硬件过流故障指示信号，一旦触发，程序通过fault_action关断输出并清除运行状态。

母线瞬时过压阈值为40V，平均欠压阈值为22V，恢复运行条件为大于23V。

三、软件环境与工程架构

3.1 开发环境配置

工程为CCS C2000项目，目标器件配置为TMS320F28335，编译优化等级2，链接命令文件为28335_RAM_lnk.cmd。源码文件位于source目录，头文件位于include目录，调试输出位于Debug目录。

工程仍采用CCS下的DSP28335裸机工程结构，控制中断由EPWM1触发，ADC采样、编码器读取、保护判断、控制计算和SVPWM更新都围绕该中断展开。与普通FOC工程相比，本文重点关注DTC-SVM新增的磁链估算、转矩估算、磁链环和转矩环。

3.2 工程文件结构

表1 工程文件结构

文件	关注内容
main.c	DTC控制参数、开环启动、转矩/磁链环接入
DTC_PMSM.c	估算磁链和电磁转矩
DSP2833x_UserDefine.h	FEstimator结构体、PWM装载宏定义
DSP2833x_EQep.c	eQEP2位置计数、1ms速度更新和index事件
DSP2833x_EPwm.c / svpwm.c	10kHz控制周期和SVPWM输出

四、工程参数与关键逻辑

参数分析应以main.c中最终赋值为准，而不是只看默认宏。100W永磁同步电机参数已在工程中的FEstimator结构体下示出，具体参数如下：Ld/Lq值为1.1e-4H，磁链值为0.0052Wb，定子电阻值为0.17Ω。

表2 DTC工程参数

参数/变量	当前配置	配置理由
Speed_set	初始值为-1000 rpm
Flux_pidreg.Ref	初始值为永磁磁链值	等效于Id参考值设为0
Flux_pidreg	Kp=3，Ki=0.3	磁链误差生成d轴电压指令
Torque_pidreg	Kp=3，Ki=0.3	转矩误差生成q轴电压指令
Speed_pidreg	Kp=0.001，Ki=0.001，OutMax=±9	速度外环生成转矩参考
FEstimator.Ts	1e-4 s	控制采样周期100 μs

4.1 最终参数赋值

下面的代码摘录保留了主函数中生效的DTC-SVM参数。可以看到，磁链环和转矩环都输出电压指令，速度环输出转矩参考，FEstimator结构体保存电机模型参数。

代码摘录：DTC-SVM最终参数

Flux_pidreg.Kp = 3;

Flux_pidreg.Ki = 0.3;

Flux_pidreg.OutMax = 24.0;

Flux_pidreg.OutMin = -24.0;

Flux_pidreg.ErrMax = 1;

Flux_pidreg.ErrMin = -1;

Torque_pidreg.Kp = 3;

Torque_pidreg.Ki = 0.3;

Torque_pidreg.OutMax = 24.0;

Torque_pidreg.OutMin = -24.0;

Torque_pidreg.ErrMax = 1;

Torque_pidreg.ErrMin = -1;

Speed_pidreg.Kp = 0.001;

Speed_pidreg.Ki = 0.001;

Speed_pidreg.OutMax = 9;

Speed_pidreg.OutMin = -9;

Speed_pidreg.ErrMax = 1000;

Speed_pidreg.ErrMin = -1000;

FEstimator.Rs = 0.17f;

FEstimator.Ld = 1.1e-4f;

FEstimator.Lq = 1.1e-4f;

FEstimator.Flux_pm = 0.0052f;

FEstimator.pole_pairs = 5.0f;

FEstimator.Ts = 1e-4f;

Speed_pidreg.Ref = Speed_set;

Flux_pidreg.Ref = FEstimator.Flux_pm;

4.2 开环启动与闭环切换

程序上电后不会立即进入DTC-SVM闭环，而是先用小幅旋转电压矢量带动转子寻找编码器index。只有EQEP2检测到index事件并置位start_done后，才开始使用编码器角度、电流反馈和转矩/磁链闭环。

代码摘录：开环启动逻辑

if(!start_done)

{

if(!QEP_CLR)

{

QEP_CLR = 1;

EQep2Regs.QCLR.bit.IEL = 1;

}

svgen.Ualpha = 0.05 * cos(step * 0.0031416);

svgen.Ubeta = 0.05 * sin(step * 0.0031416);

if(Speed_pidreg.Ref < 0)

{

temp = svgen.Ualpha;

svgen.Ualpha = svgen.Ubeta;

svgen.Ubeta = temp;

}

step++;

if(step > 1999) step = 0;

}

if(EQep2Regs.QFLG.bit.IEL)

{

start_done = 1;

}

4.3 磁链和转矩计算

闭环阶段先由三相电流得到d/q轴电流，再把电流送入FEstimator。工程没有启用传统电压积分磁链模型，而是按电感和永磁体磁链得到d/q轴磁链，再反变换到静止坐标系计算磁链幅值。

代码摘录：磁链与转矩估算

v->Psi_d = v->Ld * v->I_d + v->Flux_pm;

v->Psi_q = v->Lq * v->I_q;

v->Psi_est = sqrtf(v->Psi_alpha * v->Psi_alpha

+ v->Psi_beta * v->Psi_beta);

v->Te_est = 1.5f * v->pole_pairs

* v->I_q * v->Flux_pm;

这段代码决定了DTC-SVM两个反馈量的来源：Psi_est代表磁链幅值，Te_est代表电磁转矩估计值。若电机参数不准或电流采样方向反了，两个闭环会同时受到影响。

4.4 转矩磁链双环接入

工程先用开环SVPWM牵引转子，并用QEP index确认转子0位置。闭环后，估算磁链和转矩，再在速度外环中更新转矩参考并控制速度给定斜坡，磁链参考被限制在永磁体磁链附近；随后磁链环和转矩环分别计算电压指令，并按母线电压归一化后送入反Park和SVPWM。

代码摘录：DTC-SVM闭环接入

FEstimator.I_d = I_park.PDs;

FEstimator.I_q = I_park.PQs;

Fdq_Calc(&FEstimator);

Psi_ipark.IPDs = FEstimator.Psi_d;

Psi_ipark.IPQs = FEstimator.Psi_q;

Psi_ipark.IPSine = I_park.PSine;

Psi_ipark.IPCosine= I_park.PCosine;

ipark_calc(&Psi_ipark);

FEstimator.Psi_alpha = Psi_ipark.IPAlpha;

FEstimator.Psi_beta = Psi_ipark.IPBeta;

FsTe_Calc(&FEstimator);

if((!motor_dat.pos_cnt) && (mode_select & 0x1))

{

if(Flux_pidreg.Ref > 0.006)

{

Flux_pidreg.Ref = 0.006;

}

else if(Flux_pidreg.Ref < 0.004)

{

Flux_pidreg.Ref = 0.004;

}

pid_reg_calc(&Torque_pidreg);

I_ipark.IPQs = Torque_pidreg.Out;

pid_reg_calc(&Flux_pidreg);

I_ipark.IPDs = Flux_pidreg.Out;

从信号传递看，速度误差并不直接生成Iq参考，而是生成转矩参考；磁链误差和转矩误差最终生成电压矢量。这是本工程区别于普通FOC速度电流双闭环的地方。

4.5 QEP速度反馈

eQEP2仍然是启动牵引和估算结果对照的基准。工程用1ms位置差计算motor_dat.speed，并与扭矩传感器采样得到的速度Speed_sensor进行比较。

五、实验运行与观察

建议先空载运行，观察速度是否稳定，之后再加载观察转矩、磁链变化。

表3 建议仿真器观察的实验变量

记录对象	变量	用于说明的问题
开环寻零	start_done	寻零完成标志
速度外环	Speed_set / motor_dat.speed	实际速度是否跟随目标速度
磁链反馈	FEstimator.Psi_d / FEstimator.Psi_q	磁链估算是否稳定
转矩反馈	FEstimator.Te_est / Torque_pidreg.Ref	估算转矩是否跟踪参考转矩
双环输出	Flux_pidreg.Out / Torque_pidreg.Out	参考电压输出是否饱和
扭矩传感器	Speed_sensor / Torque	查看速度和输出转矩
保护状态	run_sts.fault1/fault2	启停控制、故障监测