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4-1 DSP简介
DSP有两种解释：其一是Digital Signal Processing的缩写，即数字信号处理；其二是Digital Signal Processor，即数字信号处理器的意思。前者数字信号处理是利用计算机或专用处理设备以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。后者数字信号处理器是用来完成数字信号处理要求的具有特殊结构的一种微处理器。
DSP的基本模型如图4-1 所示。它以众多的学科为理论基础，所涉及范围及其广泛。例如，在数学领域、微积分、概率统计、随即过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具；同时与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等学科也密切相关。近年来的一些新兴学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都是与数字信号处理密不可分的。数字信号处理可以说许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一门新兴学科的理论基础。
图 4-1 DSP的基本模型
DSP器件就是为了满足数字信号处理而制造的一类专用微处理器，一般具有以下几个特点：在单指令周期类完成乘加运算。高速的运算能力。一般采用哈佛结构和流水线技术。芯片具有满足数字信号算法特殊要求的功能，如为了支持Viterbi蝶形算法而设计的比特反转寻址。数据交换能力高。支持并行处理指令等。数字信号处理是围绕着数字信
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号处理的理论，实现和应用而发展起来的；数字信号处理的理论又是在数字信号处理技术实践的基础上不断发展和完善的。数字信号处理器件是数字信号处理技术的具体实现载体。现在
随着理论和实践的进一步发展，数字信号处理技术已被广泛的应用到信息处理、通讯、多媒体、图象处理、声音处理、综合网络、控制、消费类电子、医疗设备、测试仪器等众多领域。
DSP主要应用在数字信号处理中，目的是为了能够满足实时信号处理的要求，
因此需要将数字信号处理中的常用运算执行的尽可能快，这就决定了DSP的特点和关键技术。适合数字信号处理的关键技术：DSP包含乘法器、累加器、特殊地址发生器、领开销循环等；提高处理速度的关键技术：流水线技术、并行处理技术、超常指令（VLIW）、超标量技术、DMA等。从广义上讲，DSP、微处理器和微控制器（单片机）等都属于处理器，可以说DSP是一种CPU。DSP和一般的CPU又不同，最大的区别在于：CPU是冯.诺伊曼结构的；DSP是数据和地址空间分开的哈佛结构。
世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980 年，日本 NEC 公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP 芯片。
在这之后，最成功的DSP 芯片当数美国德州仪器公司（Texas Instruments，简称TI）的一系列产品。TI 公司在1982年成功推出其第一代DSP 芯片 TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片
TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代 DSP 芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX，集多片DSP芯
片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片
TMS320C62X/C67X等。TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列，即：TMS320C2000
系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X）、
TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。如今，TI公司的一系列DSP产品
已经成为当今世界上最有影响的DSP芯片。TI公司也成为世界上最大的DSP芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近50％。目前，DSP处理器仍被TI、AGERE、
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ADI等公司占领，产品受外国大企业控制。国内发展DSP的厂商并不多，而主要的
应用是DVD与无线电话等产品，因此国内DSP的产值并不高。而在产品应用上，目前重要的DSP应用产品，如移动电话、调制解调器等个人计算机与通讯领域应用产品，都是采用国际大厂的DSP 解决方案。
4-2 永磁同步电机的数学模型和矢量控制
随着永磁材料性能的不断提高，永磁同步电机((PMSM)得到了广泛应用。作为能 量转换的装置，永磁同步电机有多种结构和分类，其中正弦波永磁同步电动机因其卓 越的性能已日渐成为电伺服系统执行电机的主流。本章首先简要叙述了永磁同步电机 的基本结构和主要分类，然后建立了在转子坐标系下的永磁同步电机的数学模型，为 对其进行转子磁场定向的矢量控制奠定了理论基础。为了使得永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，使其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布。定子电枢采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生的电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的速度和位置。因此对三相永磁同步伺服电机的控制也和对三相异步电动机的控制相似，采用矢量控制。并且不要对转子进行绕组和坐标变换，从而使得三相永磁同步电机的矢量控制要比三相异步电机的控制要简单。
永磁同步电机的数学模型。本文采用的是正弦波供电永磁同步电机，转子上没有阻尼绕组。永磁同步电机的定子与普通电励磁同步电机的定子一样有A, B, C 三相对称绕组，转子上安装有永磁体，定子和转子通过气隙磁场存在电磁耦合关系。由于交流电机是一个多变量、非线性、强耦合系统，定转子电感系数随转子位置的变化而变化。电机的数学模型中含有时变参数，给分析和计算带来困难。为了简化永磁同步电机的数学模型，首先对电机做如下假设.
(1)忽略铁心饱和; (2)忽略电机绕组漏感; (3)转子上没有阻尼绕组; (4)永磁材料的电导率为零; (5)不计涡流和磁滞损耗;
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(6)定子相绕组的感应电动势波为正弦型的，定子绕组的电流在气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波。
永磁同步电机的定子磁链是由定子三相绕组电流和转子永磁极产生，定子三相绕 组电流产生的磁链与转子位置角有关，转子永磁极产生的磁链也与转子位置有关，转子永磁极在每相绕组中产生反电势。永磁同步电动机是系统的控制对象 ，有必要对进行研究 。由于永磁同步电动具有正弦波反电势 ，是线性的，参数不随假设电动机温度变化，忽略磁滞和涡流损耗 那么dq坐标系下的永磁同步电动机数学模型为 ：
?d?Ldid??f ??Liqdd
(4-1) ud?Rsid?p?d???quq?Rsiq?p?q???d
Te?1.5np??diq??qid?
式中?d、?q分别为定子绕组电压的直、交轴分量 ； id、iq 分别为定子绕组电流 的直 、交轴分量 ；Ld.Lq分别为永磁同步电动机的直 、交轴电感 ；Rs为定子绕组电阻。?f 为转子上永磁体产生的磁场；??np?r；其中ω为转子电角速度， ωr 为机械角速度 ，np为极对数。
采用磁场定向的控制策略 ，即控制直轴电流id为零 ，则永磁同步电动机的电磁转矩可表示为：
Te?1.5np?fiq （4-2） 由式(4-2)可见 ，采用矢量控制策略实现了定子绕 组电流磁场分量和转矩分量的解耦 ，这样永磁同步 Te电动机的电磁转矩就正比于交轴电流iq。通过控制iq就可以控制Te，进而控制转速，从而得到了和它励直流有刷电动机相似的控制特性。
4-3 永磁同步电机的伺服系统设计
本系统采用TI公司的数字信号处理器TM320LF2407为核心进行设计。TMS320LF2407采用高性能静态CMOS技术，具有高达30MIPS的数据处理能力以
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及适合电机控制的外设资源，采用其全比较单元可生成6路PWM控制信号，10位A／D转换模块可以完成电流信号采样，CAP捕获单元、QEP正交编码单元以及SPI串行外设接口单元可实现对转速的实时计算和显示，高速的数据处理能力、完备的外设资源大大地简化了系统的硬件设计。图4-2为采用DSP实现的三相永磁同步电动us机矢量控制系统。在DSP中实现转速、电流全数字双闭环控制，完成电流采样、转iqrefnrefPark角及速度计算、PARK变换及逆变换、CLARKE变换和PWM控制信号的实时计算以SV3相PIPIUqUdUαUβ及参量显示等功能。永磁同步电动机的电磁转矩控制最终归结为对dq轴电流的控制，PI矢量控制的目的就是通过对dq轴电流的控制，快速准确地控制电磁转矩。控制直轴电流iq为零，通过调整直流量iq。来控制转矩，从而实现三相永磁同步电动机的控制idref=0逆变换PWM逆变器iα参数解耦，实现三相永磁同步电动机转矩的近似线性化控制。交轴电流的给定iprefParkClark为速度控制器的输出，控制交轴电流iq。就可以控制电动机的输出转矩。系统的速度id逆变换iβ变换ibiqia环和电流环采用PI控制算法，同时为了提高直流电压利用率，改善电机的运行特性，将电流控制器的输出作为SVPWM模块的输人，结合由光电编码器得到的电机旋转nf电角度并经过扇区判断及占空比的实时计算得到6路PWM控制信号，经功率放大后θ驱动IGBT。电机绕组电流采用磁平衡式电流霍尔传感器进行采样，经过CLARKE变换、PARK变换得到直交轴电流id和iq，从而形成电流闭环控制。电动机的转子转角位置由光电编码器获得，将转角进行微分可以得到转子转速，从而形成速度闭环控制。
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pmsm速度、位置检测