基于DSP的電力拖動控制系統(tǒng)設(shè)計分析

盧俊森

（云南移民產(chǎn)業(yè)投融資有限公司，云南 昆明 650051）

1 基于DSP的電力拖動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.1 矢量控制

在一個電力拖動控制系統(tǒng)中，交流電機(jī)在矢量控制的作用下，通過坐標(biāo)工作象限的轉(zhuǎn)換方式，將異步電機(jī)轉(zhuǎn)為直流電動機(jī)模型。在這一過程中，為了對磁通與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行解耦控制，交流電機(jī)通過一定矢量控制，將定子電流分為兩個直流分量，分量方向由轉(zhuǎn)子的磁場所決定。在采用電壓源逆變器進(jìn)行供電時，通過應(yīng)用空間脈寬矢量控制（SVPWM）技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)逆變器開關(guān)控制，從而有效提升直流側(cè)電源電壓利用效率。而在三相異步電動機(jī)控制系統(tǒng)中，我們可以借助TMS 320 LF 2407單片機(jī)編程，能實現(xiàn)對PWM波的調(diào)制，對電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差信號的實時采樣，采用光電編碼器實現(xiàn)，最后通過相應(yīng)計算來獲得定子電流控制量，從而實現(xiàn)對兩個電流直流分量的矢量控制。在實際進(jìn)行矢量控制的過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以從零開始，通過進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)速控制，可以使得電動機(jī)始終保持較好一個良好穩(wěn)定的低速運(yùn)行狀態(tài)，在矢量控制的作用下，亦能有效擴(kuò)大調(diào)速范圍，與此同時，還能夠有效提升轉(zhuǎn)矩控制精準(zhǔn)性，并且使其動態(tài)響應(yīng)速度變得更快，最終賦予電動機(jī)更為優(yōu)質(zhì)的加速性能。因此，在電力拖動控制中利用矢量控制設(shè)計，能夠顯著提升系統(tǒng)的低速運(yùn)行的性能，保障電動機(jī)加速的穩(wěn)定安全性，有效減少故障發(fā)生的概率。

1.2 軟件功能設(shè)計

電力拖動控制系統(tǒng)的軟件功能呈現(xiàn)主要依賴于兩種程序，一是主程序，二是中斷子程序，具體功能內(nèi)容如圖1所示，從圖1中我們能夠認(rèn)識到，主程序?qū)崟r運(yùn)行，其功能主要是完成電力拖動控制系統(tǒng)初始化，并對電壓、電流以及轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，同時還具有故障診斷與保護(hù)功能。而中斷子程序具有響應(yīng)及時，運(yùn)行可靠的特點，將其用于實現(xiàn)對電流環(huán)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，能有效提升控制精度，減少中斷時間。

圖1 電力拖動控制系統(tǒng)軟件控制程序功能

2 基于DSP的電力拖動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電壓和電流

在系統(tǒng)設(shè)計時，對電機(jī)相電流檢測，需要可采用TBC30P電流傳感器，然后將信號進(jìn)行放大。在高速雙向二極管的幫助下，先進(jìn)行限幅控制，然后再輸送至DSP的A/D轉(zhuǎn)換端，在這一過程中，還需要控制電壓和電流采樣信號的比例，一般為3V-30A。在電壓傳感器LV28-P的幫助下，針對直流母線電壓，可以實現(xiàn)其運(yùn)行狀態(tài)檢測，采樣信號也能進(jìn)一步放大。通過高速雙向二極管，實現(xiàn)限幅功能，在此基礎(chǔ)上，可以將其輸送至DSP的A/D轉(zhuǎn)換端，此時，采樣信號將會得到有效控制，變?yōu)?~500V。最后，針對IPM，可以對母線電壓進(jìn)行檢測，并對其進(jìn)行相應(yīng)控制，從而全面保障開關(guān)管IGBT安全。在此基礎(chǔ)上，在PWM幫助下，做好控制信號的發(fā)射，由此能夠得到電動機(jī)交流電壓大小，然后即可結(jié)合實際，通過檢測控制電流電壓，實現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

2.2 檢測電路

電動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的檢測，我們可以選擇TRD-S2000B旋轉(zhuǎn)編碼器，針對電路形成一個完整的閉環(huán)控制。對TMS 320 LF 2407單片機(jī)而言，本身具有正交編碼器脈沖電路QEP。結(jié)合光電編碼器兩組脈沖相位的幫助，能夠完成對電動機(jī)運(yùn)動方向的判斷。與此同時，還能夠通過進(jìn)行脈沖數(shù)量的記錄，實現(xiàn)對電機(jī)具體運(yùn)動位置的確定。然后進(jìn)行位置信號的差分處理，就可以活動電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度。如果電機(jī)處于正轉(zhuǎn)的狀態(tài)，在QEP電路方向之上，檢測出運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯，并在光電解碼器A相之上，測定出QEP1輸入引腳。而對脈沖序列相位而言，相較于光電解碼器B相QEP2上的脈沖信號，則處于領(lǐng)先的位置。不僅如此，脈沖序列還會產(chǎn)生一個方向信號，通過該信號，我們能夠確定T1定時器方向。而對計數(shù)器TICNT而言，則能夠?qū)崿F(xiàn)遞增計數(shù)。在這一過程中，如果電動機(jī)出現(xiàn)了反向轉(zhuǎn)動情況，計數(shù)器TICNT也會做出相應(yīng)改變，實現(xiàn)反向計數(shù)。在光電解碼器中進(jìn)行輸出的信號，可以通過光耦方式，實現(xiàn)光電隔離。

2.3 控制電路

在DSP控制電路中，包含了諸多裝置部件，比如TMS 320 LF 2407單片機(jī)、仿真調(diào)試接口JTAG、快速光耦TLP550等，在這些裝置部件的作用下，能夠?qū)﹄妱訖C(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測定，能夠?qū)﹄妷?、電流進(jìn)行采樣，實現(xiàn)對模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，同時在PID模糊算法幫助下，實現(xiàn)對控制信號的輸出等。在DSP芯片中，TMS 320 LF 2407是電動機(jī)控制核心，能夠為電機(jī)控制提供高效的信號處理。在TMS 320 LF 2407中，存在有兩個事件管理模塊，他們分別是EVA與EVB。在每個模塊之中，均包含有8個PWM脈寬調(diào)制通道，每個通道有16bit信息量，能夠使得PWM輸出對稱或者非對稱波形，最終生成SVPWM電路。不僅如此，通過編程方式，針對PWM死區(qū)，我們也能夠自由控制。防止上下橋臂在運(yùn)轉(zhuǎn)時，同時輸出脈沖。而在電動機(jī)控制時，通過進(jìn)行PWM控制電路的設(shè)計，可減輕CPU運(yùn)行壓力。另一方面，針對用于同步脈寬調(diào)制波形控制軟件，還對其進(jìn)行了有效的簡化，使其硬件軟件配置數(shù)量更少，運(yùn)行成本更低。

2.4 功率模塊

在電力拖動系統(tǒng)的功率模塊之中，同樣有不同部件組成，比如IPM模塊、濾波電路、不可控整流模塊等，其中對IPM模塊而言，在該模塊內(nèi)部，一般集成有第五代低功耗的IGBT芯管，除此之外，還包括柵極驅(qū)動電路以及檢測電流，不僅如此，自身還具備欠壓、溫度保護(hù)、過流等功能。在IPM中，故障輸出信號FO通過光電耦合器進(jìn)行傳輸，能夠直接連接再回DSP的PDPINTA之中。在IPM出現(xiàn)故障問題時，DSP能夠?qū)⑾鄳?yīng)事件管理器輸出引起設(shè)置成為高阻狀態(tài)，此時PWM便無法進(jìn)行信號的輸出，從而達(dá)到對電力拖動系統(tǒng)的保護(hù)作用。與此同時，在IPM中，要求在同一橋臂上下開關(guān)之間，始終存在一個截止，且不同開關(guān)之間必須互鎖?；诖?，在DSP在發(fā)出PMW信號后，應(yīng)具備充足的死區(qū)時間。否則，同一橋臂上下開關(guān)之間將會出現(xiàn)同時導(dǎo)通的問題，最終會因此IGBT模塊運(yùn)行過載，引發(fā)燒毀問題。在TMS 320 LF 2407內(nèi)部，還集成了死區(qū)調(diào)節(jié)電路，在該電路之中，通過死區(qū)定時器完成對寄存器DBTCONA調(diào)節(jié)控制。

在IPM中的IGBT功率管本身能夠起到逆變作用，一般由TMS 320 LF 2407所輸出的六路PMW波進(jìn)行控制。在功率管的幫助下，通過自身有規(guī)律的通斷控制，能夠?qū)χ绷麟娺M(jìn)行逆變，使其成為三相交流電，從而為異步電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供相應(yīng)的電能。在DSP運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，PWM信號一般比較弱，因此在IPM前，需要先放大相應(yīng)信號。在系統(tǒng)設(shè)計中，還采用了不可控整流二極管模塊，在模塊內(nèi)部，則由三相橋式不可控整流電路組成，濾波電路則由電解電容組成。

2.5 控制模塊

控制模塊是系統(tǒng)的最重要組成部份之一，設(shè)計時需要重點考慮，而DSP作為數(shù)字信號處理裝置，成為控制模塊設(shè)計的核心。在電力拖動系統(tǒng)中，在進(jìn)行電壓、電流檢測時，主要依靠上述檢測電路來實現(xiàn)。在這些功能的幫助下，能夠促使靜態(tài)RAM存儲器實現(xiàn)對數(shù)據(jù)存儲的擴(kuò)展。而在IPM控制模塊之中，主要控制功能是將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓，保障異步電動機(jī)有著充足的交流電流供應(yīng)，充分發(fā)揮異步電機(jī)優(yōu)秀的變頻調(diào)速性能。在電力拖動控制系統(tǒng)的控制模塊中，通過將電流霍爾傳感器TBC30P電路連接在逆變橋另一端，能夠?qū)崿F(xiàn)線路檢測控制，電流信號在從TBC30P電路中輸出后，會經(jīng)過控制模塊處理，然后由DSP接收。MAX232單電源電平轉(zhuǎn)換芯片能夠?qū)SP與計算機(jī)關(guān)聯(lián)在一起，TMS 320 LF 2407作為一種單片機(jī)，能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行操控，內(nèi)部有64k程序控制空間，為了進(jìn)一步提升控制效果，同時還引入了CMOS靜態(tài)存儲器，從而進(jìn)一步擴(kuò)大程序內(nèi)部控制空間，提高傳輸信號控制的效果。

3 結(jié)語

綜上所述，本次所設(shè)計的電力拖動系統(tǒng)，主要以DSP為基礎(chǔ)，借助了DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力與數(shù)字信號處理能力，同時還利用了DSP各種內(nèi)外設(shè)資源，有效減少了系統(tǒng)的外圍電路，且提升了系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠穩(wěn)定性。在實際設(shè)計過程中，通過引入IPM這種相對比較簡單的逆變電路，能夠有效實現(xiàn)電動機(jī)的實時控制，同時也使得系統(tǒng)在整體硬件設(shè)計方面更加的簡約，保障了電力拖動系統(tǒng)功能能夠得到充分地發(fā)揮與展現(xiàn)，賦予了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)迅速、實時控制性、高精度性等優(yōu)點。