永磁同步电机矢量控制代码说明
1、前言
永磁同步电机（PMSM）位置、速度、电流三闭环矢量控制（FOC）软件（以下简称“软件”）是为学习矢量控制算法而编写的，针对的是永磁同步电机，代码已经经过了项目验证，可以放心学习、使用。
首先说明，出此教程的目的，是为了让广大初学者可以挣脱淘宝海量教程的毒害，因为经常看到一些初学者买了一堆资料，学了大半年，结果连程序都看不懂，实践的时候最多也就是按照教程接好线，通电看电机转一转，浪费的大量的时间和金钱，很多细节问题不清楚，没有解决问题的能力。
所以，本人花了很多心思，以一套完整的、成熟的PMSM的FOC控制方案为例，从各个方面详细讲解了FOC的原理、实现方法等知识，几乎是逐条的分析了程序，又兼顾程序的系统层面，目的是让初学者看完我的资料，可以独立的完成FOC的编写、独立的解决一些问题，能达到这个目的，我就很满足了。知识是个触类旁通的东西，相信大家学完这个PMSM的FOC算法后，肯定会对电机控制有一个更深的认识。
2、软件功能设计
软件通过RS422总线与上位机实时通讯交互，在主循环中采用查询的方式接收上位机发送的系统工作模式、伺服指令，并将系统相关状态监测量实时反馈给上位机；为了保障系统安全，软件对输入指令进行了限幅，避免指令超限。
2.1功能
软件的具体功能及实现需求如下：
a）在控制电源上电后，完成各功能模块初始化；
b）通过串口与上位机通讯。通过查询方式接收上位机数据，并进行解析；
c）利用TI最新的SVPWM算法，产生占空比，驱动功率板；
d）通过DSP内部自带ADC采集母线电压信号、相电流信号；
e）完成位置闭环、速度闭环、电流闭环调节；
f）系统状态监测、故障诊断与处理（工业应用中故障诊断、系统检测是很复杂的，为了突出本教程重点，故程序仅保留过压、欠压、过流保护功能）；
控制软件全部功能描述见表1和表2所示 。
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序号 |
功能名称 |
说明 |
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1 |
初始化功能 |
控制电源上电后对DSP相关硬件配置及变量进行初始化 |
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2 |
SCI通信功能 |
与上位机通过RS422串口线进行实时通信 |
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3 |
定时器功能 |
通过配置EPWM1获取125us周期定时，通过分频获取250us、1ms、10ms等周期定时 |
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4 |
位置、速度、电流闭闭调节 |
完成电机位置闭环、速度闭环、电流的闭环调节 |
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5 |
状态监测与故障诊断 |
对系统工作状态，故障状态实时监测 |
表2 软件性能描述
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序号 |
性能名称 |
说明 |
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1 |
串口数据发送周期 |
通过串口向上位机发送数据的周期为1ms。 |
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2 |
脉宽调制信号 |
PWM波载波频率为8kHz，死区时间为2us |
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3 |
MainPwmISR()中断程序执行时间 |
中断执行一次时间不能超过总中断时间的80%，即不超过100us。 |
2.2主要接口
与FOC控制软件相关的硬件接口，包括RS422串口，片内ADC，外设I/O，数字I/O等，连接关系见图1。
2.3安全性
a）所有中断服务程序严格禁止嵌套，软件中仅启动一个中断；
b）软件设计时要注意避免潜在的死循环。在软件模块设计过程中，不允许出现无法跳出的情况；
c）不使用的中断源要进行屏蔽，屏蔽措施包括设置中断屏蔽寄存器和编写空中断返回处理语句；
- 对采集到的信号应进行适当滤波处理，防止异常值影响软件性能。
2.4可移植性
软件的编译环境为Code Composer Studio 5.2.0，不具备可移植性。
3、软件结构设计
3.1 软件平台
软件运行的硬件平台资源：
- 处理器：TMS320F28335，晶振频率30MHz，工作主频150MHz；
- 存储器：TMS320F28335内部资源模块寄存器，片内18K×16位SARAM存储器，64K×16位Flash存储器；
- 中断源：PWM1中断，8kHz；
软件的构成如图2所示。
图2 软件结构图
3.2 各模块功能介绍
（1）系统初始化模块
名称：系统初始化模块
标识符：InitDevice(DSP28_PLLCR,DSP28_DIVSEL);
功能：配置看门狗电路，配置系统时钟，打开ePWM、SCI、SPI、ADC等用到的硬件资源的时钟信号，关闭不用的硬件的时钟信号。这个是标准的模块，用户不用自己编写，复制来按自己的需求配置即可。
（2）参数初始化模块
名称：参数初始化模块
标识符：ParaInit()；
功能：软件第一次被调用时，初始化用于闭环的主要控制参数。调节PID的参数时，就是在这个函数里进行更改的。
（3）定时器模块
名称：定时器定时模块
标识符：void SchTimer(void)
功能：设置成125us-500ms多种计时器，作为流程分配的时间基准，注意定时器的时间基准是PWM的中断周期，而不是用的常规的定时器；
（4）与上位机数据交换和通讯模块
名称：串口通讯模块
标识符：void Communication()
功能：使用RS422串口与上位机进行数据交互，对接收到的数据包进行解析，同时对发送的数据包进行编码，以实现消息互通。
（5）指示灯模块
名称：指示灯模块
标识符：LED
功能：系统正常运行时，指示灯每500ms翻转一次。
（6）片内AD采集处理模块
名称：信号采集处理模块
标识符：DriverDspAdcInit()
功能：通过DSP内部自带ADC采集1路母线电压信号、2路相电流信号。
3.3 执行方案
DSP上电后，软件执行初始化模块的初始化功能。在使能中断后，软件在中断中执行数据采集、闭环控制、PWM信号输出。软件执行流程如图4所示。
3.4 接口设计
接口关系见表4。
表4控制软件接口描述
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序号 |
接口 |
说明 |
引脚设置 |
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1 |
外设GPIO0～GPIO5 |
电机6路PWM波输出（低电平有效） |
上拉，作为PWM功能引脚 |
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2 |
数字GPIO7 |
通过控制SN74LVC8T245来决定是否关断6路PWM波 |
高电平切断输出 |
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3 |
外设GPIO12（TZ1） |
W相电流采样芯片硬过流故障信号（低电平有效） |
上拉，作为TZ功能引脚，异步输入。 |
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4 |
外设GPIO13（TZ2） |
U相电流采样芯片硬过流故障信号（低电平有效） IPM故障信号输入（低电平有效） |
||
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5 |
外设GPIO16（TZ5） |
IR2136驱动芯片故障信号 |
||
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6 |
数字GPIO25 |
LED灯控制信号（低电平灯亮） |
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7 |
数字GPIO26 |
制动器信号 |
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8 |
数字GPIO27 |
安全通车信号 |
||
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9 |
外设GPIO30 |
ECANRXA |
CAN通信 |
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外设GPIO31 |
ECANTXA |
|||
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10 |
外设GPIO62 |
SCIRXDCM |
用于串口（SCI-C）通讯 |
上拉、异步输入、作为功能引脚 |
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外设GPIO63 |
SCITXDCM |
上拉、作为功能引脚 |
||
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11 |
外设GPIO51 |
EQEP1B |
EQEP |
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外设GPIO52 |
EQEP1S |
|||
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外设GPIO53 |
EQEP1I |
|||
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12 |
外设GPIO54 |
SPISIMOA |
接AS2S1210的SPISIMOA引脚 |
上拉、异步输入、作为功能引脚 |
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外设GPIO55 |
SPISOMIA |
接AS2S1210的SPISOMIA引脚 |
||
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外设GPIO56 |
SPICLKA |
接AS2S1210的SPICLKA引脚 |
||
|
外设GPIO57 |
SPISTEA |
接AS2S1210的cs引脚 |
||
|
外设GPIO48 |
接AS2S1210的wr引脚 |
上拉、异步输入、作为IO |
||
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外设GPIO51 |
接AS2S1210的A1引脚 |
模式配置 |
上拉、异步输入、作为IO、输出； 初始化清0. |
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外设GPIO52 |
接AS2S1210的A0引脚 |
|||
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外设GPIO53 |
接AS2S1210的RESET引脚 |
RESET |
||
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外设GPIO58 |
接AS2S1210的Sample引脚 |
采样结果寄存器更新信号 |
上拉、异步输入、作为IO、输出 |
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13 |
ADINA0 |
电流IA采样通道 |
片内ADC |
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ADINA1 |
电流IB采样通道 |
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ADINA2 |
母线电压采样通道 |
|||
CSCI详细设计
4.1主循环模块
4.1.1功能描述
主循环模块是程序运行时的主控流程，控制程序的流程走向。
4.1.2数据元素
无。
4.1.3流程逻辑
软件在控制电源上电复位后执行主程序，主程序完成初始化后，开中断（触发周期125us），然后进入主循环等待中断发生，同时在主循环中完成与上位机的实时通讯。
主程序流程图见图8，主要完成初始化（相关功能模块初始配置，控制变量、结构体的初始化），开主中断，然后进入主循环等待中断发生。主循环中完成与上位机的实时通讯交互（查询接收上位机输入的工作指令）。
主循环模块流程如图8所示。
4.1.4限制条件
无。
4.2 PWM初始化及TZ保护模块初始化
4.2.1功能描述
PWM初始化，配置PWM频率、死区，载波频率8kHz，死区时间为2us，对PWM1启动125us中断以及ePWM模块的错误联防保护功能。
4.2.2数据元素
无。
4.2.3流程逻辑
TBCLKSYNC位可以用来同步所有使能的ePWM模块的基准时钟，在配置ePWM模块的过程中，遵循以下步骤：
（1）使能各个ePWM模块的时钟；
（2）将TBCLKSYNC清零，从而停止所有ePWM模块的时钟；
（3）对ePWM模块进行配置；
（4）将TBCLKSYNC置位。
ePWM模块一共有7个子模块，分别为：时间基准子模块（TB）、比较功能子模块（CC）、动作限定子模块（AQ）、死区产生子模块（DB）、斩波控制子模块（PC）、故障捕获子模块（TZ）、事件触发子模块（ET）。各子模块的主要功能如下：
a．时间基准（TB）
设定基准时钟TBCLK与时钟SYSCLKOUT之间的关系；
设定PWM时间基准计数器TBCLK的频率和周期；
设定时间基准计数器的工作模式：增计数、减计数、增减计数；
设定与其他ePWM模块之间的相位关系；
通过软件或者硬件方式同步所有ePWM模块的时间基准计数器，并设定同步后计数器的方向（增计数或者减计数）；
设定时间基准计数器在仿真器挂起时的工作方式；
指定ePWM的同步输出信号的信号源：同步输入信号、时间计数器归零、时间计数器等于比较器B（CMPB）、不产生同步信号。
b．比较功能（CC）
指定EPWMxA和EPWMxB的占空比；
指定EPWMxA和EPWMxB输出脉冲发生状态翻转的时间。
c．动作限定（AQ）
无反应；
EPWMxA和/或EPWMxB得输出切换到高电平；
EPWMxA和/或EPWMxB得输出切换到低电平；
EPWMxA和/或EPWMxB得输出进行状态翻转。
d．死区产生（DB）
控制上下两个互补脉冲之间的死区时间；
设定上升沿延时时间；
设定下降沿延时时间；
不做处理。
e．斩波控制（PC）
产生斩波频率；
设定脉冲序列中第一个脉冲的宽度；
设定第二个及其以后脉冲的脉冲宽度；
不做处理。
f．故障捕获（TZ）
配置ePWM模块响应一个、全部或者不响应外部故障触发信号；
设定当外部故障触发信号出现时，强制EPWMxA和/或EPWMxB为高电平、低电平、高阻态、不做反应；
设定ePWM对外部故障触发信号的响应频率：单次响应，周期性响应；
使能外部故障触发信号产生中断；
不做处理。
g．事件触发（ET）
使能ePWM模块的中断功能；
使能ePWM模块产生ADC启动信号；
设定触发事件触发中断或ADC启动信号的频率：每次都触发、2次才触发、3次才触发；
挂起、置位或清除事件标志位。
在配置ePWM模块时，按照图6所示流程进行。
图6 EPWM模块
图6中，虚线包围的模块，可以根据实际需求，选择使用或者让PWM直接通过该模块。事件触发子模块用来处理事件基准计数器、比较功能子模块产生的时间，从而向CPU发出中断请求或者产生ADC启动信号SOCA或SOCB。
4.2.4程序实现
4.2.6限制条件
无。
4.3 SCI初始化模块
4.3.1功能描述
串口初始化，设置波特率为921600pbs，8位数据位，1位停止位；无奇偶校验，全双工传送，设置FIFO深度为1。
4.3.2数据元素
无。
4.3.3流程逻辑
SCI内部串行时钟信号由低速外设时钟信号LSPCLK及波特率选择寄存器共同决定。BRR为16为波特率设定值，其高8位装入SCIHBAUD中，低8位装入SCILBAUD中，即可配制出不同的波特率。
若BBR=0， ;
若1≤BRR≤65535，，因此。
4.3.4限制条件
无。
4.4 片内AD采集处理模块
4.4.1功能描述
采样2路相电流及1路母线电压，采样值进行滤波数据处理。
片内AD信号采集处理功能如表5所示
表5 片内AD信号采集处理
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功能名称 |
片内AD信号采集处理 |
|
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输入 |
激励事件 |
125us定时 |
|
数据 |
母线电压、相电流 |
|
|
处理 |
片内AD模块实现母线电压、A和C两路相电流AD值采集，并进行解算。 |
|
|
输出 |
解算后的母线电压值、相电流值 |
|
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说明 |
无 |
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4.4.2数据元素
片内AD采集处理模块数据定义如表6所示。
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序号 |
数据名称 |
数据标识 |
数据类型 |
|
|
输出数据 |
1 |
母线电压 |
ubus |
float |
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2 |
A相电流 |
IPhase.Iu |
float |
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3 |
C相电流 |
IPhase.Iw |
float |
4.4.3流程逻辑
ADC模块具有多个分频器，以产生任何需要的ADC操作时钟，图7为ADC的时钟链结构。
图7 ADC时钟链结构图
4.4.4限制条件
无。
中断处理模块
4.5.1功能描述
EPWM1产生的主中断，1次事件触发1次中断，因此中断触发周期为125us，该模块执行时间不能超过125us的80%即100us。该模块完成状态机机制下各子函数定时计数器时间分配任务（根据上位机指令，选择要执行的流程）。
中断服务程序流程图见图6所示，中断服务程序中主要完成：
（a）获取转子位置角度（每125us）；
（b）获取电机三相电流（每125us）；
（c）通过分频获取其他周期定时；
（d）每125us执行电流闭环控制；
（e）每1ms执行速度闭环控制（如果被选择）；
（f）每2ms执行位置闭环控制（如果被选择）；
其中电流闭环、速度电流双闭环、位置速度电流3闭环程序分别为6.1、6.2、6.3所示。
图6 中断服务程序流程图
图6.1 电流环子程序流程图
图6.2 速度环子程序流程图
图6.3 位置闭环子程序
其中3个环中使用的MotorDriv()流程如图6.4所示。
图6.4 子程序
定时计数器配置功能：使用EPWM1产生的主中断周期作为时间基准，使用TimerCtrl结构体定义的变量TimerCnt自加，得到125us到500ms不同的定时计数器各9种，当TimerCnt变量累加到所需定时计数器的预设值时，设置时间标识位变量置1，执行相应的功能函数，函数执行完成后该变量清零。
软件定时器功能见表7。
表7 定时器功能
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功能名称 |
定时器功能 |
|
|
输入 |
激励事件 |
ePWM1产生中断（125us） |
|
数据 |
无 |
|
|
处理 |
125us周期定时到，标志位置1；定时计数器值累加，判断其他如250us、1ms、5ms、10ms、500ms等周期定时是否到。 |
|
|
输出 |
各定时器标志位 |
|
|
说明 |
标志位会在对应函数执行后清0 |
|
4.5.2数据元素
无。
4.5.3流程逻辑
现针对该模块中所调用的各子模块进行详细描述。
（0）转子位置角获取（电角度）
电机26对极，旋变2对极。旋变经过调理电路，给AD的是0-65535的数字量，代表了电机的绝对位置。
电机转子轴旋转一圈，旋变的AD采样值从0-65535变化2次。
即有：
因此：
又因为：
转子位置角获取（电角度）
此时计算出来的电角度范围超过了2pi，需要进行取模运算。
因为电机转1圈时，电角度的范围为：，此时，旋变的范围为65535*2，因此，可以对旋变读数进行取模，使得计算得到的电角度在0-2pi之间。
显然，取模的系数=。
因此，最终，电角度RotorPos.elec_theta = (RotorPos.RotorAngle%5042)*0.001246。
代码中电机5对极，旋变1对极的，因此计算出来为：
RotorPos.elec_theta =(RotorPos.RotorAngle%13107)*0.00048-2.6; //转换为电机电角度
注意-2.6的来源：
FOC使用的是电机的电角度（不是编码器的读数），而编码器安装时的0位很难和电机的机械零位对齐，如果知道了两者之间的偏差，就可以通过读取编码器读数，根据上述解算，求出电机的转子位置角度。
测量的方法为：首先令反Park变换使用的角度为0，给定Vq=0，Vd=0.1(此处指的标幺电压值，理解成10%占空比)，运行程序，在调试模式下，读取RotorPos.elec_theta =(RotorPos.RotorAngle%13107)*0.00048的值，该值就是编码器零位和电机机械零位的偏差，我读到的就是2.6，因此在后面减去了2.6作为补偿值。
一般要多次正反测量，求出平均值，因为电机正反摩擦力会不一样。
（1）电机转速计算模块
本程序的第一版本对应的电机为5对极，旋变为1对极。计算的思路如下：
电机从0位开始旋转，旋变信号AD值在0~65535之间变化。当电机旋转一整圈，旋变值会回到初始值，发生0与65535之间跳变。
通过旋变信号AD值计算转子角度的函数，delta为旋变零位补偿后AD值两次采样之差，实际电机最大速为1200r/min，所以电机尚未旋转到一整圈时，每1ms计算一次电机转速，旋变AD值最大变化1310。只有在发生旋转够一整圈时，旋变AD值发生0与65535之间跳变。因此对于一次采样间隔，当旋变值变化量delta发生了很大变化时（远大于实际可以达到的差值），即认为发生了电机旋转到一整圈。
电机有正转和反转，基于对称考虑，选择了32767和-32768作为反转与正转情况下，电机旋转到达整圈，即发生旋变信号回归初始值的判断阈值。
计算电机转速如图7所示。
图7 电机转速计算流程图
本程序电机是26对极的，旋变是2对极的，解算思路一样的，不再重复。
（2）获取AD采样值及电流计算
获取相电流AD采样值及相电流计算的流程如图8所示。
图8 获取相电流AD采样值及相电流计算流程
（3）电流闭环控制
电流环在PMSM调速系统中如图中虚线所示。
图9 闭环控制结构框图
电流闭环控制功能如表8所示。
表8 电流闭环控制功能表
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功能名称 |
电流环闭环调节 |
|
|
输入 |
激励事件 |
125us定时到 |
|
数据 |
电流环指令iq，电流反馈ia、ib、ic |
|
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处理 |
1）速度环调节给出电流指令；通过旋转编码器解算出转子位置角；通过AD获取电机相电流； 2）电流指令与电流反馈做差得到电流偏差，电流偏差经过PI调节后输出电压； 3）d、q轴电压经过Ipark变换得到uα、uβ； 4）利用SVPWM算法计算出PWM波的占空比。 |
|
|
输出 |
PWM波的占空比 |
|
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说明 |
电流环周期为125us。 |
|
电流环闭环控制流程如图10所示。
图10 电流环闭环控制流程
（4）速度闭环控制
该模块首先解算出电机速度反馈值，然后和速度指令作差，偏差经过速度PI调节器后，输出q轴的电流指令。
TimerCtrl.TF_1ms标志位置1后，即1ms定时到，电机驱动使能情况下，解算出电机转向以及速度反馈值，求出iq，然后将TimerCtrl.TF_1ms标志位请0。电机驱动失能情况下，解算出电机转向以及速度反馈值后，将电流环所有参数清0，PWM占空比固定为50%。
速度闭环控制功能如表9所示。
表9 速度闭环控制功能
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功能名称 |
速度环闭环调节 |
|
|
输入 |
激励事件 |
1ms定时到 |
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数据 |
电机速度指令，电机速度反馈 |
|
|
处理 |
解算出电机速度反馈； 速度指令与速度反馈做差得到速度偏差，速度偏差经过速度PI调节后，输出q轴电流指令。 |
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输出 |
q轴电流指令 |
|
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说明 |
周期1ms |
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速度闭环主控流程如图11所示。
图11 速度闭环主控流程图
（5）位置闭环控制
由于程序对应的电机没有安装位移测量模块，所做的位置闭环受限制，在程序中计圈数实际意义不大，故实际上没用位置环。
如果用户使用位置环，只需要将绝对位置信号反馈给程序，即可完成位置闭环控制。
4.5.4限制条件
无
其他说明
#if FLASH
MemCopy(&RamfuncsLoadStart, &RamfuncsLoadEnd, &RamfuncsRunStart);
InitFlash(); // Call the flash wrapper init function
#endif
这几句是将FLASH中的程序COPY到RAM中运行，通常的目的是加快程序的运行速度，通常有两种情况需要这样去操作：
1、程序中对时基要求比较高的函数，如中断；
2、程序需要对FLASH进行操作，这时就要把程序先复制到RAM中运行然后才能对FLASH操作。
RamfuncsLoadStart、RamfuncsLoadEnd、RamfuncsRunStart这三个变量是在CMD文件中创建的，创建方式如下：
LOAD_START(RamfuncsLoadStart),
LOAD_END(RamfuncsLoadEnd),
RUN_START(RamfuncsRunStart),
分别表示了装载函数的首地址，装载函数的结束地址和装载函数的运行地址；
执行完MemCopy(&RamfuncsLoadStart, &RamfuncsLoadEnd, &RamfuncsRunStart);后，便将FLASH中相关的程序COPY到了RAM中，之后的程序运行时，只要调用FLASH中RamfuncsLoadStart地址开始的相关函数，系统都会自动地指向RAM中相应的函数入口地址运行。
