基于DSP的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉景霞

摘 要 現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械的自動(dòng)化發(fā)展對電力拖動(dòng)系統(tǒng)的要求越來越高，電力拖動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械行業(yè)發(fā)展的重要組成部分，本文主要討論以數(shù)字信號處理器（DSP）為核心的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對電動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化控制、故障檢測和保護(hù)功能的強(qiáng)化，有效保障電力拖動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的安全性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)；數(shù)字信號處理器；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號 TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）164-0179-01

電力拖動(dòng)系統(tǒng)即電氣與機(jī)械綜合的系統(tǒng)，是機(jī)械行業(yè)發(fā)展的重要組成部分，主要的組成部分為電源、電動(dòng)機(jī)、控制設(shè)備、傳動(dòng)設(shè)備等，每一個(gè)部分都會影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)。近年來，隨著機(jī)械自動(dòng)化的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始關(guān)注電力拖動(dòng)系統(tǒng)的安全性能。

1 電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在電力拖動(dòng)控制的運(yùn)行系統(tǒng)中，DSP主要用做采集、處理、控制系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，DSP是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電流、直流電壓、轉(zhuǎn)速等內(nèi)容的檢測工作主要由各部分的檢測電路實(shí)現(xiàn)，通過這些功能又能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)靜態(tài)RAM存儲器對數(shù)據(jù)存儲器及程序的擴(kuò)展，IPM模塊主要實(shí)現(xiàn)對交流電壓向直流電壓的轉(zhuǎn)變，能夠?qū)㈩l率可調(diào)的三相交流電提供給異步電動(dòng)機(jī)，保證異步電動(dòng)機(jī)的高性能變頻調(diào)速性能的實(shí)現(xiàn)。

圖1為電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。從圖1中可以看出整個(gè)電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)主要可以分為3個(gè)組成部分，即功率模塊、控制模塊及檢測模塊。將電流霍爾傳感器TBC30P電路接在逆變橋的輸出端，可以組成電流檢測電路，電流信號從霍爾電流傳感器中輸出后經(jīng)過一定的處理后被送往數(shù)字信號處理器的ADC端；直流電壓檢測電路包括電阻、電壓霍爾傳感器、整流器等元器件；電子旋轉(zhuǎn)編碼器通過觀點(diǎn)隔離電路將檢測到的信號送到數(shù)字信號處理器的正交編碼器脈沖電路中，正交編碼器經(jīng)過一定的計(jì)算方法得出轉(zhuǎn)速；MAX232幫助數(shù)字信號處理器與PC機(jī)通信；TMS320？LF2407是一款專為電機(jī)控制設(shè)置的單片DSP控制器，包含了64K的程序存儲空間，為了進(jìn)一步擴(kuò)大整個(gè)系統(tǒng)的存儲空間，該電力拖動(dòng)控制硬件系統(tǒng)中還使用了一種高性能的CMOS靜態(tài)RAM16為存儲器，即CY7C1021BV33，用來擴(kuò)展程序及數(shù)據(jù)存儲器，

它在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)不區(qū)分高低字節(jié)。譯碼電路的主要作用是區(qū)分SRAM？空間的數(shù)據(jù)區(qū)與程序區(qū)，根據(jù)用戶譯碼方法的不同，劃分方式也會有所區(qū)別。

1.2 功率模塊

IPM、濾波電路及不可控整流共同組成了功率模塊。本次設(shè)計(jì)采用的IPM為PM25RLA120，具有欠壓、過流及溫度保護(hù)的功能，當(dāng)IPM發(fā)生故障時(shí)，光電耦合器將故障輸出信號的FO接到數(shù)字信號處理器的PDPINTA上，數(shù)字信號處理器將會采取一定的措施，阻止PWM信號的輸出，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的效果。為了防止IGBT模塊燒壞，IPM的同一橋臂必須互鎖，保證數(shù)字信號處理器發(fā)出PWM信號時(shí)的死區(qū)時(shí)間充足。死區(qū)時(shí)間死去定時(shí)器控制設(shè)定，死區(qū)調(diào)節(jié)電路在TMS320LF2407內(nèi)部集成。

IPM中，TMS320？LF2407A輸出PWM波控制IGBT管的開關(guān)觸發(fā)控制信號，功率管將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姾蠊┙o三相異步電動(dòng)機(jī)，該種三相交流電的頻率可以調(diào)整。一般情況下，數(shù)字信號處理器發(fā)出的PWM信號比較微弱，為了保證IGBT接收的信號比較完整、精確，需要在驅(qū)動(dòng)IPM的IGBT之前采用一定的方法對PWM信號進(jìn)行放大。系統(tǒng)中的不可控整流二極管模塊的濾波電路由電解電容組成，三相橋式不可控整流電路則由整流二級管組成。

1.3 控制電路

TMS320LF2407、TLP550快速光耦、仿真調(diào)試接口JTAG？以及TPS7333Q幾個(gè)部分共同組成了數(shù)字信號處理器的控制電路。它的主要作用是處理模糊？PID？控制算法、輸出PWM？控制信號、測定轉(zhuǎn)速等等，在高性能傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，TMS320LF2407芯片能夠使信號處理控制更先進(jìn)、高效。

PWM電路的使用對于控制電路而言十分有利，它極大的降低了PWM波形產(chǎn)生時(shí)的費(fèi)用，用戶工作量相比減少，相關(guān)的外部硬件及控制軟件有了一定程度的簡化。

1.4 檢測電路

本系統(tǒng)采用TRD—S2000B旋轉(zhuǎn)編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過TMS320LF2407正交編碼器脈沖電路的脈沖相位確定出電機(jī)的運(yùn)行方向、脈沖個(gè)數(shù)的運(yùn)動(dòng)位置，位置信號經(jīng)過差分處理之后可以用來判斷脈沖運(yùn)動(dòng)的速度。

1.5 電流、電壓檢測

TBC30P電流傳感器主要用來檢測電機(jī)的相電流，信號經(jīng)過放大后，高速雙向二級管BAV99會對其進(jìn)行限幅處理，限幅完成后被送到DSP的A/D轉(zhuǎn)換端，得到比例為30A一3.0V采樣信號。以LV28一P電壓傳感器檢測直流母線電壓，放大信號，以高速雙向二極BAV99將信號限幅然后送到DSP？的？A/D轉(zhuǎn)換端，得到比例為500V一3.0V的采樣信號。為了保證開關(guān)管IGBT的安全，可以檢測并控制IPM直流側(cè)的直流母線電壓，另外為了實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，還可以通過？PWM？控制信號得到IPM提供給電機(jī)的交流電壓量。

2 拖動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制

交流電機(jī)通過矢量控制將異步電動(dòng)機(jī)以坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為直流電動(dòng)機(jī)模型，為了解耦控制磁通與轉(zhuǎn)矩，交流電機(jī)按照一定的矢量方式將定子電流分解為直流分量，2個(gè)直流分量的方向根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場進(jìn)行確定，并采用一定的方式分別控制2個(gè)直流分量。使用電壓源逆變器供電時(shí)，空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)在一定程度上控制了逆變器的開關(guān)，使三相電機(jī)的定子產(chǎn)生跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)的磁場。這種控制方法計(jì)算起來比較簡單，提高了直流側(cè)電源電壓的利用率，且電機(jī)的諧波損耗逐步減少，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也有所降低。

矢量控制的優(yōu)點(diǎn)在于，它具有比較良好的低速運(yùn)行的性能，速度控制可以從零轉(zhuǎn)速開始，調(diào)速的范圍比較廣泛，轉(zhuǎn)矩的控制比較精確，因此，將矢量控制運(yùn)用與交流電機(jī)中，可以提高電動(dòng)機(jī)的加速特性。

三相異步電動(dòng)機(jī)中，逆變器通過TMS320LF2407？提供的6路PWM波控制，光電編碼器可以測量三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速測量完成后經(jīng)過一定的計(jì)算方法可以知曉定子電流的控制量，最終實(shí)現(xiàn)對2個(gè)分量的解耦控制。

2.2 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)

拖動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)由主程序與中斷子程序共同組成。主程序與中斷子程序分別承擔(dān)了不同的任務(wù)，主程序可以用來初始化系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)內(nèi)的電壓、電流及速度，并對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的目的，中斷子程序的主要作用是實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、PWM發(fā)生等過程，最終使系統(tǒng)速度控制的精度達(dá)到一定程度，同時(shí)提高開關(guān)的頻率。

3 結(jié)論

本文講述的控制系統(tǒng)，結(jié)合了DSP的優(yōu)點(diǎn)，它的運(yùn)算能力較高，計(jì)算速度較快，擁有十分豐富非內(nèi)外設(shè)資源，且系統(tǒng)外圍的電路比較少，安全可靠。另外，IPM的應(yīng)用，簡化了電機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，使電機(jī)控制更加實(shí)時(shí)可靠，精度較高，優(yōu)點(diǎn)顯著。

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