基于TMS320LF2407A芯片的SRM過流過壓保護

聶平由

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙，410208）

前言

電機作為一種機械能與電能的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，在工業(yè)化的各個領(lǐng)域中都起到了非常重要的作用，開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor，即SRM)作為一種新型的調(diào)速設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、可靠性高、控制精度高等優(yōu)點。隨著電力電子技術(shù)與仿真技術(shù)的高速發(fā)展，DSP與ARM高性能微處理器得以廣泛應用，形成了SRM應用的新平臺，很大程度上推動了開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)(Switched Reluctance Diver，即SRD)的應用，使之發(fā)展成當今電機領(lǐng)域的熱門課題，并廣泛應用于軍事、商業(yè)和工業(yè)設(shè)備中。與此同時，尤為迫切的問題也凸顯出來，那就是關(guān)于開關(guān)磁阻電機的保護，本文采用了基于TMS320LF2407A芯片的DSP控制技術(shù)，主要研究了SRM過電流與過電壓的監(jiān)測與保護。

1 TMS320LF2407A芯片概述

在設(shè)計SRM的控制器時，本文選擇了芯片TMS320F2407A作為控制中心。該芯片是美國TI公司生產(chǎn)的的微處理器，它融合了DSP的高速運算能力和高效控制能力，使數(shù)字控制技術(shù)發(fā)揮到很高的水平，實現(xiàn)了高可靠性與優(yōu)良控制性能。該芯片結(jié)構(gòu)簡單、性能高，廣泛應用于電機的數(shù)字控制、工業(yè)自動化、電力系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換等，處理能力達到40MIPS，遠勝于傳統(tǒng)的8位微控制器和16位微處理器的性能。

TMS320LF2407A的主要特點如下[1-2]：

（1）、采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使其供電電壓低至3.3V，減小了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使指令周期縮短到25ns(40MHz)，從而提高了控制器的實時控制能力。

（2）、片內(nèi)有高達32k的FLASH程序存儲器，高達1.5k的數(shù)據(jù)/程序RAM,544的雙口RAM(DARAM)和2k的單口RAM(SARAM)。

（3）、兩個事件管理器模塊EVA和EVB，它們都有：兩個16位通用定時器與八個16位的脈寬調(diào)制(PWM)信道（當外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時快速關(guān)閉PWM通道）；可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖；3個捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16通道A/D轉(zhuǎn)換器。

（4）、可擴展的外部存儲器高達192K空間：64K的程序存儲器空間；64K的數(shù)據(jù)存儲器空間；64K的I/O尋址空間。

（5）、看門狗定時器模塊(WDT)。

（6）、10位A/D轉(zhuǎn)換器（最小轉(zhuǎn)換時間為500ns），可由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器或一個16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。

（7）、控制器局域網(wǎng)絡（CAN）2.0模塊。

（8）、串行通信接口（SCI）模塊。

（9）、16位的串行外設(shè)（SPI）接口模塊。

（10）、基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器。

（11）、高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）。

（12）、5個外部中斷(兩個電機驅(qū)動保護、復位和兩個可屏蔽中斷)。

（13）、電源管理包括3種低功耗模式，能獨立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。

TI公司的TPS73xx系列是TI公司為配合DSP而制作的電源轉(zhuǎn)換芯片，接口電路簡單，只需接上必要的外圍電阻，即可實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。TPS7333是一種固定輸出3.3V電壓的電源轉(zhuǎn)換芯片，其中是欠壓低電平輸出端，采用漏極開路的工作方式。當負載突變或其它故障導致OUT的輸出出現(xiàn)欠壓時，則輸出低電平，并保持200ms。當OUT的輸出恢復正常時，在200ms后，則恢復輸出高電平。電路如圖1所示：

圖1 DSP 電源及復位電路

TMS320DSP芯片引腳是復位信號輸入端，當該引腳為低電平時，則芯片復位。為保證芯片的正常初始化，一般需保持引腳至少持續(xù)3個CLKOUT周期的低電平。為了避開振蕩器起振時的非線性特性對整個系統(tǒng)的影響，復位電路維持低電平的時間必須大于系統(tǒng)晶體振蕩器的起振時間。一般地，晶振需要100-200ms的穩(wěn)定時間，因此上電復位時間應大于200ms。對于復位電路來說，首先應確保復位低電平時間足夠長，使DSP實現(xiàn)可靠性復位；然后應確保有良好的穩(wěn)定性，避免DSP出現(xiàn)誤復位。

為了實現(xiàn)控制的靈活性，本控制器采用了上電復位電路和人工復位電路，當系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時可靈活地實現(xiàn)人工復位。圖1中，出現(xiàn)掉電時，二極管D1為電容提供放電途徑，使電容快速放電完畢，即可確保在反復上電時實現(xiàn)可靠性復位。另外，斯密特觸發(fā)反相器進行整形處理，提高了系統(tǒng)的抗干擾性，并確保低電平的維持時間。

3、繞組電流檢測電路

本控制器采用在主回路串接一個0.025Ω/5W的水泥電阻來檢測繞組的電流，并通過信號處理送入DSP芯片進行A/D轉(zhuǎn)換。繞組電流檢測電路如圖2所示：

圖2 電流檢測電路

4、過流檢測與保護

磁阻電機出現(xiàn)過電流現(xiàn)象的原因如下[3]：

（1）負載的沖擊，或者堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象的突然產(chǎn)生，導致電機的電流突然增加而出現(xiàn)過電流；

（2）系統(tǒng)的輸出部分出現(xiàn)短路，比如輸出端到電機之間的連線出現(xiàn)短路，或者電機內(nèi)部線圈出現(xiàn)短路等，導致電機出現(xiàn)過電流；

（3）電機在加速運行時，當拖動負載的機械慣性較大，而加速時間卻設(shè)定過小時，會產(chǎn)生過電流；

（4）電機在減速運行時，當拖動負載的機械慣性較大，而減速時間卻設(shè)定過小時，也會產(chǎn)生過電流。

為了避免磁阻電機出現(xiàn)過電流而受損，本控制器采用了過流保護電路，大大地提高系統(tǒng)的可靠性。

本控制器采用比較器LM741實現(xiàn)過流檢測。LM741的同相輸入端為電流檢測電路的輸出電平，反相輸入端為電流的限幅值。過流保護電路如圖3所示：

圖3 過流保護電路

正常工作時，LM741的同相輸入端的電平低于反相輸入端的電平，LM741輸出為OV,當電流超過設(shè)定的保護值時，LM741的同相輸入端的電平高于反相輸入端的電平，LM741輸出約為12.5V，經(jīng)穩(wěn)壓管IN4733穩(wěn)壓為3.3V,與過壓保護電路輸出經(jīng)或非處理，進入DSP的功率保護輸入引腳PDPNITA，以便作出相應的處理，實現(xiàn)實時的過流保護。

5、過壓檢測與保護

磁阻電機出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象的原因如下：

（1）電源過電壓。電源電壓的上限，一般不會超過給定輸入的10%,可是由于電網(wǎng)波動，有時會出現(xiàn)電源電壓過高的現(xiàn)象，這使整流后的直流電壓跟隨上升，導致電機出現(xiàn)過電壓；

（2）再生制動過電壓。當負載機械慣性較大，而系統(tǒng)設(shè)定的頻率下降卻較快，在再生制動時，其回饋能量通過制動電阻和制動單元的突然釋放，從而導致直流電路的過電壓；

（3）脈沖過電壓。由于電路中存在線圈電感和線路分布電感，在每個脈沖的上升和下降過程中，會產(chǎn)生較大的脈沖過電壓。

過壓保護電路跟過流保護電路相似，如圖4所示：

圖4 過壓保護電路

結(jié) 語

從以上的介紹中可以看到，本文主要探討了磁阻電機的過流與過壓保護。在設(shè)計其控制器時，選用了美國TI公司的TMS320F2407A芯片，并且采用了DSP的先進性控制技術(shù)，實現(xiàn)了SRM過電流與過電壓的有效檢測與保護。

[1] 劉和平等.TMS320LF240x DSPC語言開發(fā)應用[M] .北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[2] 張毅剛等.TMS320LF240x系列DSP原理、開發(fā)與應用[M] .哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2006.

[3] 王曉明,王玲.電動機的DSP控制-TI公司DSP應用[M] .北京:北京航空航天大學出版社,2004.