DSP在现代电力电子与交流电机控制系统中的应用

DSP在现代电力电子

与交流电机控制系统中的应用

（清华大学电机系，北京 100084）曾毅，李永东

摘要：以TI公司的DSP为主线回顾了DSP在现代电力电子与交流电机控制系统中应用的发展历程，介绍了新一代电机控制专用DSP及其相关技术的现状，以全数字化电机控制平台为例说明其典型应用，并对DSP在现代电力电子与电机控制领域的发展方向提出展望。

关键词：DSP；电力电子；矢量控制

1 概述

在DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）大量应用于控制领域之前，数字化控制系统的核心由微控制器（Micro-Control Unit，MCU）主导着。由于

能够相对的构成系统，微控制器也被称

为单片机。目前，在不涉及复杂计算的各种

工业控制场合，单片机仍然占据主要位置，

应用较多的有MCS51系列、MCS196系列等

等。这些单片机由于成本低廉、软硬件资源

丰富、易于开发，在工业控制领域获得了广

泛应用。然而为了适应高性能控制的需要，

随着控制理论的发展涌现出许多复杂而先进

的控制算法，如异步电动机的矢量控制策略

和直接转矩控制策略分别在70年代和80年

代被提出。现在控制理论所提出的人工神经网络控制、H-∞控制等算法则更加复杂。而现代电力电子与电机控制系统是一个实时控制系统，为了保证高性能，往往需要将控制周期缩短到几百微秒甚至几十微秒之内，单片机的运算速度已经无法满足要求。

DSP诞生之初，主要被用于信号处理领域，需要进行大量复杂运算的场合。相对于微控制器，DSP具有一些自身的特点[4,16]。首先DSP芯片采用改进的哈佛总线结构，程序和数据以及各自的地址都有的总线，甚至读和写都有分别的总线，大大提高了数据传输速度。其次DSP的指令系统采用流水线方式，DSP处理器可以同时处理多条指令，每条指令处于流水线执行过程的不同阶段。第三，DSP处理器具有专用的处理单元，比如硬件乘法器，可以在一个时钟周期内完成一次乘法运算，还有硬件移位器、硬件堆栈等等，大大

收稿日期：2003－08－07

作者简介：曾毅（1975－），男，汉族，四川省资阳人，1999年毕业于清华大学电机系，1999年至今在清华大学电机系就读直读博士研究生，专业为电气工程，主要研究方向为全数字化交流电机控制系统的理论和应用研究；李永东（1962－），男，1982年6月毕业于哈尔滨工业大学电气工程系，1987年12月在法国图卢兹国家理工学院电气工程及自动化系获博士学位，现任清华大学电机系教授，博士生导师，电力电子与电机系统研究所，主要从事高性能，大容量，全数字化交流电机控制系统的理论和应用研究，主持并作为主要参加者完成科研项目十多项。提高了计算速度。第四，DSP芯片大多具有一些特殊的指令，比如专门的乘加指令可以在一个时钟周期中完成两数相乘并累加到累加器的工作，FFT专用码位倒置寻址指令可以大大加快FFT运算的速度。DSP还有其他一些优点，比如快速的时钟周期，多个处理单元，易于构成多CPU系统等等，在此不一一列出。DSP的这些独特的优点使它特别适用于算法复杂的高性能控制场合。

现代电力电子和电机控制领域涉及的范围非常广，电机的种类也很多，控制算法多种多样。近年来交流电机调速控制

有了较大发展，特别是交流

异步电机、交流永磁电机的

控制都大量采用DSP。电力

电子技术在电力系统谐波治

理及无功补偿、逆变电源、

新能源利用等方面的应用也

越来越多，发展出许多新的

控制理论和方法，电力电子

装置朝高压大容量发展，功

率变换电路的拓扑和控制方

法也日渐复杂，采用DSP控

制是必然的趋势。

2 通用型DSP在现代电力电子及交流电机控制系统中应用的发展历程

1980年，美国贝尔实验室制成的DSP以及日本NEC公司开发的µPD7720可以说是世界上最早的DSP芯片[2]。美国德州仪器（TI）公司在1982年推出了首款可编程通用数字信号处理器（DSP）—TMS32010 DSP，拉开了DSP发展的序幕。其后很多公司纷纷向世界市场推出各自的DSP产品，比如摩托罗拉公司的DSP56000系列，日本富士通公司的MB87等等。在20年的发展过程中，TI公司的DSP产品逐渐形成了一套相当完整的系列，成为DSP技术的主导者。本文将着重以TI公司的DSP产品为例阐述DSP在电机控制系统中的应用。

1984年TMS320C2x的面市使 TI 成为推出第二代DSP 的第一家制造商。1988 TI 推出业界首款浮点DSP—TMS320C3X。19 TI推出业界性能最高的定点DSP产品—TMS320C5X。1990 TI推出第二代 DSP 架构的浮点DSP产品—TMS320C4X。在1996年TI公司推出TMS320C240之前，还没有一款专门为电机控制设计的DSP产品，上述几个系列的DSP都主要被用于信号处理领域。然而由于DSP芯片在速度和计算能力方面相对于微控制器具有显著的优势，在电机控

制方面的研究已经开始采用这些DSP 产品，从C2X 到C5X 系列的产品都曾被用于电机控制当中13]

-[6。这个时期的DSP 芯片主要是作为通用处理器使用，芯片上除了核心的处理器以及相关的总线控制和存储器管理等部分之外，几乎没有A/D 转换器、PWM 发生器等控制系统所需的外设。因而如果在电机控制系统中采用DSP 芯片作为核心处理器，需要为其配置较多的外围器件，比如各种存储器、A/D 和D/A 转换器、测速用的脉冲编码电路、各种通讯口等等。

图1所示为一个基于TMS320C25的永磁同步电机伺服控制系统的框图，这是早期DSP 在现代电力电子和交流电机控制系统中应用的一个典型例子

[1]

。

图1 基于TMS320C25的永磁同步电机伺服控制系统框图

从图中可以看到，由于C25当中只集成了544个字的RAM [14]

，因此需要为其配备外部存储器，包括RAM 和EPROM 等，并且需要为这些存储器设置相应的等待周期，以满足慢速存储器的时序要求。此外，几乎所有的与控制有关的外设电路都需要挂接在C25提供的外部总线上，包括I/O 口、A/D 和D/A 转换电路，驱动功率变换器的PWM 信号和相应的死区时间发生电路以及检测电机位置和速度的码盘信号转换电路等等。图1所示为一个单机系统的框图，如果需要进行多机通信，例如同上位机通信，则还需要在总线上外接RS232串口等设备。这些外设共用一个由C25提供的外部总线，通过一些控制信号来区分程序总线、数据总线或是I/O 总线，然而必须为每个外设设置相应的地址译码电路，分配不同的地址段以免引起冲突。从这个例子当中可以看到，在没有电机控制专用DSP 的时代，设计一个基于通用DSP 的电力电子系统或者电机控制系统的硬件是相当复杂的。同时，矢量控制和直接转矩控制这样的高性能控制算法在交流电机控制当中已经开始采用，而当时的软件开发基本上只能采用汇编语言，整个系统

的软件开发具有相当的难度，从一定程度上制约了DSP 在现代电力电子系统和交流电机控制系统当中的应用。直到1996年，TI 公司推出了性的TMS320C240芯片，掀起了基于DSP 的电机控制研究热潮。

3 电机控制专用DSP 在现代电力电子及交流电机控制系统中应用的发展历程

图2 基于TMS320F240的现代电力电子及电机控制系统框图

DSP 在电机控制领域的真正大规模应用开始于1998年TI 面向电机、运行及过程控制等领域推出业界首款具有片上闪存的DSP ——TMS320F240[15]

。同年，TI 推出Code Composer Studio ，业界第一款集成化、开放式DSP 软件开发环境，可将DSP 的编码时间缩短50％以上。TMS320F240集成了一个运行于20MHz 的TMS320C2XX DSP 内核，2个8路复用10位A/D 转换器，一个功能强大的事件管理器，SPI 和SCI 串行通讯口，看门狗电路，32K 字FLASH ROM 以及其他一些外设。特别值得一提的是它所集成的事件管理器，它是电机控制专用外设的一个集合，也沿用到后来TI 的电机控制专用DSP 当中并加以改善。事件管理器中集成了3个16位定时器，并以这3个定时器为基础，控制着事件管理器中其他的外设，包括比较器、PWM 发生器、死区时间发生器、捕获单元、正交编码电路，还可以控制A/D 转换器的操作。其中PWM 发生器从硬件上支持现代电力电子系统和电机控制系统中常用的空间矢量PWM 方式，使得生成PWM 所需的代码大大简化。同时该DSP 为每个外设提供了丰富的中断源，极大的方便了实时控制

中处理各种实时事件。由于片内集成了FLASH ROM，使得控制系统的软件调试和产品开发变得更加容易。另外从TMS320F240开始，TI生产的电机控制专用DSP都采用JTAG 接口作为仿真器与DSP芯片的连接方式，大大提高了DSP仿真调试的效率。

图2所示为一个基于TMS320F240的典型系统框图。

从图中可以看到，TMS320F240的集成度较TMS320C25有了很大提高，在外设功能上已经赶上甚至超过了微控制器。只需在DSP外部连接很少的接口电路即可构成一个功能完善的控制系统，系统硬件设计得到大大简化。由于TMS320F240几乎集成了所有电机控制所需的外设，因此由此可以构成一个较为通用的控制平台[5]，适用于不同的控制对象。例如，采用图2所示的控制板与一个两电平三相逆变器相连，则可以用于各种交流电机的控制，比如交流异步电动机、永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机等等，也可以用这样的平台进行PWM 整流、功率因数校正、无功补偿、UPS电源等系统的控制研究。针对不同的控制对象，只需修改DSP中的软件，硬件基本上无需改动。采用这样的控制平台，异步电动机的矢量控制系统和直接转矩控制系统的采样时间能够被控制在100微秒之内，基本能够满足系统的动态和静态性能要求。

TMS320F240将DSP内核与众多控制专用外设集成在一起，其性能和功能远远超过了同时代的微控制器，受到广大科研人员的欢迎。从1999年开始，国内外的高性能电机控制研究和产品开发纷纷从微控制器转向TMS320F240，取得了许多成果。然而运行在20MHz的16位DSP内核在执行矢量控制这样的高性能闭环控制算法的时候仍然显得不太够用，6.6µs 的A/D转换时间也显得较慢，迫使研发人员在大多数情况下只能使用汇编语言编写控制软件。TI公司也认识到控制领域给DSP带来的机遇和第一代电机控制专用DSP的不足，不断开发新的电机控制专用DSP芯片，形成了5V的C24X系列和3.3V的C240x系列，通称为C2000平台。此外ADI公司也开发出了自己的电机控制专用DSP，ADMCxxx系列，但是其市场占有率大大低于TI公司。由于性能、成本等方面的原因，目前电机控制专用DSP的主流已经从TMS320F240发展到以TMS320LF2407A为主的C240x系列DSP。TMS320LF240x与TMS320F24x的主要区别在于采用了3.3V供电电压以减小芯片功耗，高达40MHz的指令执行速度，集成了两组事件管理器，采用更快速更容易操作的A/D转换器，集成了汽车行业广泛采用的CAN总线通讯接口[17]。此外，C240x系列DSP 加入了对FLASH ROM中的代码进行加密的功能，有效的保护写到芯片内程序的安全。外设功能的增加直接加强了DSP 连接外部设备的能力，比如TMS320LF2407A具有两组事件管理器，其功能相当于两个TMS320F240，可以不加扩展的驱动两个两电平三相逆变器，或者用于驱动一个三电平三相逆变器，也可以用于驱动一个两电平PWM整流器和一个逆变器。

而不久前，TI公司推出了其最新一代电机控制专用DSP 产品—TMS320F2812（简称F2812）和TMS320F2810（简称F2810）。F2812和F2810不论从内核还是外设方面都较前两代电机专用DSP有了较大的提高，并且加入了很多新的特性，是一代全新的电机控制专用DSP产品[18]。F2812采用1.8V 的更低核心电压，运行速度达到了150MHz，采用了32位的处理器内核，改进了中断响应和处理的速度，改进了存储器管理，具有更高的C/C++编程效率。F2812内部集成了更大的存储器，有128K×16位的FLASH ROM，1K×16位OTP ROM，总共18K×16位的SARAM，在其4K×16位BOOT ROM中还集成了一些标准数学函数表。在外设方面，F2812比以往的DSP也更加强大。F2812的外部存储器接口可以访问1M字节的地址空间，其等待状态发生器和灵活的片选信号使得外部存储器配置更加方便。它集成了3个32位CPU定时器，方便调试软件的使用和实时操作系统的运行。在电机控制专用外设方面，集成了2组事件管理器，与C2000系列完全兼容，同时集成了转换速度达到80ns的12位16通道复用A/D转换器，使得控制系统的采样速度和精度大大提高。其通讯接口也更加完善，除了两个SCI接口、SPI接口和增强的eCAN总线接口之外，还集成了一个McBSP串行接口，增强了通讯能力和外接其他串行外设的能力。此外，芯片上与外设相关的管脚大多可以复用作为通用的IO口，IO接口非常丰富。特别值得一提的是F2812和F2810当中设计了专门用于实时调试的硬件，可以在不中断程序运行的状态下，由仿真器通过JTAG接口获得CPU和存储器的状态，这对于实时控制系统来说意义重大。TI公司还为其开发了更高效率的C/C++语言编译器和新一代的Code Composer Studio集成调试软件，使得开发基于F2812和F2810的控制系统更加容易。目前已经有一些科研和生产单位开始在他们的研究和开发当中采用F2812或者F2810设计电机控制系统。

4 发展趋势

随着电机控制专用DSP在现代电力电子与交流电机控制系统中的应用，许多以往用微控制器无法实现的高性能算法得以应用到实际系统当中，反过来又更加促进了DSP的发展。综观DSP应用于控制系统的发展过程和现状可以看到，电机控制专用DSP未来的发展呈现以下的趋势。

在处理器硬件方面，首先是采用更加强大的CPU，改进CPU响应中断的能力，处理器内核从16位向32位过渡，从定点向浮点过渡。运算速度对于实时控制系统始终是一个最重要的指标，要在有限的时间之内完成更复杂的现代控制算法，必须有更加快速的处理器。处理器内核从16位向32位过渡，从定点向浮点过渡，带来的不仅仅是运算精度的提高，同时也会大大提高运算的速度。在目前没有基于浮点DSP内核的电机控制专用DSP芯片的情况下，采用浮点DSP加定点电机控制专用DSP的方案可以获得很高的性能，大大简化软件的开发和调试，代价是系统硬件设计变得复杂。其次是增强网络通讯能力，便于控制系统相互之间的互联以及与PC机或者工控机等上位机的连接。CAN总线的应用使得DSP的通讯能力比串行通讯强大很多，而对以太网/互联网的支持将使得电机控制系统与PC机及其网络的互联更加方便，从而方便了人们从PC机上远程监控和管理电机控制设备。

在软件方面的进步，包括更高效的支持C/C++等高级语言编程，采用更强大的集成调试环境，从硬件上更好的支持实时在线调试。这些特点已经可以从TMS320F2812和TMS320F2810及其开发系统上看出端倪。TI公司推出的Code Composer Studio集成调试环境和eXpressDSP实时软件技术就是在这方面的进步。开发调试软件的进步直接关系到控制软件

开发的效率，其意义不亚于DSP 处理器硬件的进步。软件方面的另一个发展趋势则是实时操作系统在控制系统软件中的应用。现代电力电子及交流电机系统的控制策略日渐复杂，传统的采样-计算-输出的软件工作流程并不能很好的利用处理器的资源，造成一定程度上的性能浪费。而随着软件规模的不断增长，编程和维护的难度也不断增加，软件模块化显得越来越重要。随着DSP 运算能力和存储器寻址能力的增加，实时操作系统在实时控制系统中的应用变得可能。实时操作系统将系统软件划分为多个任务，有效的分配各个任务对于DSP 资源的占用情况，能够提高系统软件的实时性，并且使得整个软件更加模块化，易于开发和维护。目前c µOSII 是最有可能用于现代电力电子及交流电机控制系统的实时操作系统，它对系统资源的占用极少，非常适用于实时性要求很高的场合。此外c µlinux 也因其强大的网络能力而受到实时控制系统开发者的关注，但由于其对硬件资源要求较高，目前还不太适宜交流电机控制这样对实时性非常敏感的领域。

除了DSP 软硬件本身的发展变化之外，DSP 与其他电子器件的结合也将是未来基于DSP 的控制系统发展的一个趋势。FPGA 、CPLD 的应用能够大大增强基于DSP 的电机控制系统的性能。这些大规模逻辑器件能够比DSP 更好的完成大数据量的简单处理，扩展DSP 的接口能力，使得DSP 能够更好的执行系统核心软件。在双CPU 的系统中采用双口RAM 或者FIFO 则可以方便高速的在处理器之间传递数据，充分发挥双处理器的优势。DSP 与FPGA 、CPLD 等高性能电子器件的结合将大大提高系统的集成度，从而提高系统可靠性。

图3所示即是笔者开发的一个基于DSP 的双CPU 控制系统框图，该系统采用一颗浮点DSP —TMS320VC33和一颗电机控制专用DSP —TMS320LF2407A 相结合，发挥浮点DSP 计算能力强和电机控制专用DSP 控制能力强的特点，形成一个功能强大的控制平台。该系统采用一片双口RAM 完成两颗处理器之间的数据交换，利用一片CPLD 完成几乎所有的地址译码和分配工作以及其他的一些逻辑运算。在这样的控制平台上，可以非常方便地完全采用C 语言编程，大大提高了控制软件的开发效率。该平台用于交流异步电动机直接转矩控制系统时，可以将系统采样周期控制在30微秒以内。

图3 基于双DSP 的全数字化电力电子及交流电机控制平台框图

5 存在的问题

DSP 的速度不断提高，功能日渐增强，推动了现代电力电子及交流电机控制系统的发展，同时也带来一些问题。

首先是供电的问题，随着DSP 芯片的时钟速度成倍的增

加，降低芯片供电电压成为减小芯片功耗的一个有效途径。目前F240x 系列DSP 的供电电压已经降低到3.3V ，新一代的F281x 芯片的核心供电电压已经降低到1.8V 。而电力电子和电机控制系统的控制板上往往还需要设计一些模拟电路用于A/D 采样或者D/A 输出，它们往往需要+/-5V 甚至+/-15V 的电源。这样就需要为DSP 单独设计供电电源，一种方法是直接采用开关电源获得DSP 所需要的电压，但是这样很难保证开关电源能够提供足够稳定的供电，开关电源引起的纹波和毛刺有可能影响到DSP 的正常运行。另一种方法是采用专门的电源芯片，从5V 电源当中降压得到所需电压。TI 公司为此提供了多种型号的电源芯片，比如TPS767系列。这些供电芯片能够输出非常稳定和纯净的直流电压，确保DSP 芯片及其周边芯片的稳定运行。

其次设计基于DSP 的控制系统还需要解决DSP 芯片与周围外部设备的连接问题。随着DSP 芯片速度的提高和供电电压的降低，DSP 与周边器件的连接存在着电压匹配和速度匹配的问题。目前电机控制系统中应用的大多数器件仍然是5V 供电的，然而许多电机控制专用DSP 比如F240x 系列和F281x 系列的IO 管脚则是3.3V 供电的，这样当它们需要互联的时候就要解决好电压匹配问题。采用一些电平转换芯片或者将整个系统的器件都替换为较低电压供电的芯片是两个可选的解决途径。另外由于DSP 芯片的运行速度非常快，达到几十兆甚至100多兆的时钟速度，因而在与外部较慢速度的器件连接的时候需要设置等待周期。TI 的电机控制专用DSP 都集成了等待状态发生器，可以设置最多7个等待周期，这样就可以将访问外部器件的速度降低到CPU 时钟的七分之一。同时这些DSP 还提供BUSY 信号用于连接更慢的器件。随着DSP 芯片速度的提高，这个问题将变得日渐尖锐。

第三个问题则是抗干扰问题。电力电子系统和电机控制系统往往是电磁环境非常复杂的强电系统，其中的电磁干扰非常严重。由于运行频率很高以及供电电压较低的原因，DSP 的抗干扰能力往往比微控制器更弱。因此，提高DSP 及其周边电路的抗干扰能力对于保证系统可靠运行非常重要。在设计基于DSP 的控制系统时，需要从设计电路板布线时就考虑到抗干扰的要求，并在与外部强电部分连接时采取良好的隔离措施，比如采用光耦器件隔离I/O 信号，采用光纤传递PWM 驱动信号，采用同轴电缆传递模拟信号等等。对整个控制板采取电磁屏蔽也是减少电磁干扰的有效措施。

6 结语

在现代高性能电力电子和交流电机控制系统中，DSP 已经取代了微控制器成为控制的核心，基于电机控制专用DSP 的各种控制系统研究和开发正在高速增长。电机控制专用DSP 的发展与高性能控制策略的研究相互促进，不断的提高现代电力电子装置和电机控制系统的性能。未来高性能控制系统将会更加广泛的采用现代高性能电子产品，实现弱电与强电的有机融合。

参考文献：

[1] 张学. 全数字化永磁同步机伺服控制系统的研究[D]. 清华大学电机系硕士学位论文, 1994.

[2] 周也平. DSP 在高性能变频传动系统中的应用[J]. 电气传动自动化,

Vol. 16, No. 3, Sept. 1994.

[3] 刘军, 戴先中. DSP单片微机及其在高性能控制中的应用[J]. 电气传动自动化, 1995, 17 (4).

[4] 马仁政, 陈明凯. DSP技术在工业控制的应用[N]. 厦门大学学报（自然科学版）, 2001, 40 (1).

[5] 李明才. 无速度传感器异步电机矢量控制系统及其数字化实现平台

[D].清华大学电机系硕士学位论文, 2001,(1).

[6] 孙冠先, 熊恋学, 张峰. DSP数字交流调速系统的硬件设计[J]. 电气传动, 2002.

[7] 林新春, 段善旭, 康勇, 陈坚. 基于DSP的UPS全数字化控制系统[J], 电力电子技术, 2001,(2).

[8] 张维娜, 孙强. “基于DSP的高性能矢量控制系统”[J], 电力电子技术, 2001,(2).

[9] 刘进军, 刘波, 王兆安. 基于DSP的单相电力有源滤波器数字式控制系统[J]. 电气传动, 1998,(1).

[10] Teodor Pana, “Sensorless Vector-Controlled Induction Motor Drive System with Rotor Resistance Estimation Using Parallel Processing with Floating Point DSP”, Industrial Electronics. Control and Instrumentation, 1997. IECON 97. 23rd International Conference on, Vol.2,Nov 1997,pp.9-14.

[11] R. Samudio, P. Pillay, “DSP Based Control of Switched Reluctance Motors” Southeastcon '94. 'Creative Technology Transfer - A Global Affair'., Proceedings of the 1994 IEEE ,April 1994,pp.10-13.

[12] I. Garate, R.A. Carrasco, A.L.Bowden, “An Integrated Digital Controller for Brushless AC Motors Using a DSP Microprocessor” Power Electronics and Variable-Speed Drives, Third International Conference on ,Vol..13-15,Jul 1988,pp.249 –252.

[13] Walter Suemitsu, Mohsen Ghribi, Philippe Viarouge, Hoang Le-huy, “Current Regulation of a Permanent-Magnet(PM) Synchronous Motor Using The TMS320C30 DSP” Industrial Electronics, Control, Instrumentation, and Automation, 1992. 'Power Electronics and Motion Control'., Proceedings of the 1992 International Conference on , Vol.3,Nov.1992,pp.1412-1416.

[14] “TMS320C25 User’s Guide”, Texas Instruments.

[15] “TMS320C240, TMS320F240 DSP Controllers Data Sheet”, Texas Instruments.

[16] “Digital Signal Processors vs.Universal Microprocessors” Texas Instruments.

[17] “TMS320LF2407, TMS320LF2406, TMS320LF2402 DSP Controllers Data Sheet”, Texas Instruments.

[18] “TMS320F2810, TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual”, Texas Instruments.