基于DSP的交流勵(lì)磁電源設(shè)計(jì)

孫小虎，楊潤(rùn)生，岳夕彪，葛慶慶，安巧靜

(軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003)

0引 言

交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)也叫異步化同步電機(jī)，采用轉(zhuǎn)子繞組交流勵(lì)磁，有著變速范圍廣和過載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)［1］。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)為一多輸入、多輸出的非線性控制系統(tǒng)，運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)要求高［2］。DSP芯片主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)、快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。DSP芯片的價(jià)格越來越低，性價(jià)比越來越高，具有巨大的應(yīng)用潛力。

TMS320F2812采用哈佛式結(jié)構(gòu)、專用的乘法器、6級(jí)流水線深度、動(dòng)態(tài)鎖相環(huán)、精簡(jiǎn)指令集等技術(shù)，非常適合于電機(jī)實(shí)時(shí)控制［3］。除此之外TMS320F2812還有內(nèi)置存儲(chǔ)器;外圍設(shè)備豐富;可混合編程;支持JTAG仿真調(diào)試;快速中斷處理和硬件支持;單周期操作的硬件地址產(chǎn)生器等一系列優(yōu)點(diǎn)。特別是兩個(gè)事件管理器EVA、EVB中的 PWM發(fā)生器、通用定時(shí)器、捕捉等功能，為交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)控制提供了很大的便利。這樣交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的信號(hào)的測(cè)量、濾波、勵(lì)磁參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算及PWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生都可由DSP芯片完成。DSP勵(lì)磁控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì):數(shù)字濾波、數(shù)字處理，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng);調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、精度高，在線改變參數(shù)方便;高性能低功耗;CPU定時(shí)器0可作為獨(dú)立的、全局性的定時(shí)中斷控制;判斷和邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)完備的限制及保護(hù)功能。

本文利用了TMS320F2812的上述特點(diǎn)，著重介紹了DSP最小系統(tǒng)及相關(guān)外設(shè)設(shè)計(jì);DSP勵(lì)磁主程序和中斷程序設(shè)計(jì);PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)輸出。針對(duì)直流母線電壓在負(fù)載變化時(shí)易出現(xiàn)波動(dòng)的特點(diǎn)，在MATLAB環(huán)境下對(duì)直流母線電壓進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。研究證明該勵(lì)磁電源能跟隨負(fù)載變化直流母線電壓穩(wěn)定可靠。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明利用TMS320F2812控制芯片設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)PWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)邊沿陡峭、邏輯正確、死區(qū)延時(shí)明顯，具有良好的輸出特性。

1基于DSP勵(lì)磁系統(tǒng)總體方案

交流勵(lì)磁發(fā)電勵(lì)磁系統(tǒng)通過采樣電路實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)端三相電壓和三相電流，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)衰減隔離后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和電壓匹配，變成適合 DSP處理的數(shù)字信號(hào)［4-5］。將處理后的信號(hào)輸入到DSP中，經(jīng)坐標(biāo)量變換及數(shù)字濾波獲得同步坐標(biāo)系下發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、定子電流、有功功率和無功功率，與系統(tǒng)參考輸入量做差比較送入PI調(diào)節(jié)器中，求出PWM波占空比及載波周期。通過輸出PWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制勵(lì)磁回路中IPM的導(dǎo)通和關(guān)斷。圖1為基于TMS320F2812勵(lì)磁系統(tǒng)硬件框圖。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)主要包括下述幾個(gè)部分:(1)DSP最小系統(tǒng);(2)開關(guān)量輸入輸出電路;(3)A/D采樣電路;(4)光電碼盤測(cè)速脈沖整形電路;(5)過勵(lì)保護(hù)閉鎖電路;(6)上位機(jī)通信電路。

圖1 基于TMS320F2812的勵(lì)磁系統(tǒng)硬件框圖

TMS320F2812通過I/O接口對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成勵(lì)磁程序計(jì)算，向PWM控制器發(fā)出各種控制信號(hào)。外圍設(shè)備除了檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還包括各種操作、顯示以及通信設(shè)備［6］。因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要合理進(jìn)行軟硬件的分工，以達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)［7］。

2基于DSP的硬件電路設(shè)計(jì)

DSP最小系統(tǒng)是指能使DSP內(nèi)核正常運(yùn)行調(diào)試的最簡(jiǎn)硬件設(shè)計(jì)，包括DSP芯片本體、電源、復(fù)位電路、JTAG接口、調(diào)試用外擴(kuò)RAM設(shè)計(jì)等。本控制器中的DSP最小系統(tǒng)均按照TI官方推薦的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電源管理芯片選用TI的TPS7333Q，它不僅能夠提供+3．3 V、500 mA的電源供給DSP及其它低電壓外設(shè)使用，通過第8腳(/RS)還能在上電的同時(shí)輸出一個(gè)寬度為200 ms的低脈沖的對(duì)DSP進(jìn)行上電復(fù)位［8］。

為開發(fā)方便起見，縮短程序開發(fā)周期，在片外擴(kuò)展一個(gè)寫入時(shí)間快的SRAM。仿真調(diào)試時(shí)，用CCS的Load命令把程序下載到片外程序空間的SRAM內(nèi)，從片外程序空間地址0000h開始?？紤]到速度要和DSP相匹配的問題，選用了一款CYPRESS公司的SRAM-CY7C1021CV33-12ZC。

本文選用LCD模塊顯示電路用于顯示發(fā)電機(jī)輸出的電能參數(shù)。LCD1620是一種專門用于顯示字母、數(shù)字和符號(hào)的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊。該型號(hào)可方便地顯示16個(gè)5×7或5×10的點(diǎn)陣組成的字符圖形兩行字符。DSP與LCD1620之間的具體接口電路如圖2所示。

使用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245完成由DSP的3．3 V電平到LCD1620的5 V電平的轉(zhuǎn)換，DSP的IOPC0～I(xiàn)OPC7引腳用作數(shù)據(jù)接口;IOPF1與RS相連，決定是數(shù)據(jù)(RS=0)還是命令(RS=1);IOPF2讀操作時(shí)，高電平有效與R/W腳相連，決定是寫入(R/W=1)還是讀出，寫操作時(shí)，給該引腳輸入一個(gè)下降沿完成數(shù)據(jù)傳輸;IOPF0與電平轉(zhuǎn)換芯片的DIR端相連，決定電平的轉(zhuǎn)換方向。

圖2 DSP與LCD1620的接口電路

圖3 按鍵掃描電路

按鍵電路用于選擇需要顯示運(yùn)行參數(shù)和對(duì)勵(lì)磁參數(shù)進(jìn)行在線修正。本設(shè)計(jì)采用非編碼獨(dú)立式鍵盤，按鍵電路如圖3所示。利用DSP的IOPE0～I(xiàn)OPE5作為電壓檢測(cè)端口，DSP掃描主程序分析6個(gè)按鍵上拉電阻的的電壓可以確定按鍵是否接通。

為了簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)難度和增加勵(lì)磁裝置的可靠性，為以后升級(jí)換代留下方便的接口，選用三菱公司的新型智能IPM模塊PM100CSA060IPM，模塊內(nèi)置六只獨(dú)立的IGBT，三相橋接線方式。如此設(shè)計(jì)可以省去門極驅(qū)動(dòng)電路，短路保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電源欠電壓保護(hù)設(shè)計(jì)。還可通過IPM向外輸出故障信號(hào)，DSP檢測(cè)到故障信號(hào)便封鎖所有PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，達(dá)到保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的目的。

IPM自身?yè)碛须娫辞穳?、過溫、過流、短路等多種保護(hù)功能，但在實(shí)際系統(tǒng)工作中這些并不足以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。所以附加保護(hù)電路是必須的，本系統(tǒng)額外設(shè)計(jì)了IPM防直通電路，如圖4所示。根據(jù)數(shù)字電路中異或運(yùn)算關(guān)系，相同為零相異為一，將同一橋臂上PWM信號(hào)先經(jīng)過異或門，保證二者相異再輸?shù)絀PM外部驅(qū)動(dòng)電路輸入端，可從電路上實(shí)現(xiàn)防止互通。

圖4 IPM防直通電路

3 DSP勵(lì)磁系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

合理有效地設(shè)計(jì)DSP勵(lì)磁軟件，可提高系統(tǒng)的控制精度和節(jié)約系統(tǒng)資源減少?gòu)?fù)用引腳的使用。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，盡量減小程序的耦合度，使軟件結(jié)構(gòu)清晰、便于調(diào)試。使用TI公司為TMS320系列DSP開發(fā)軟件的專用CCS環(huán)境。CCS采用圖形化接口界面，工具窗口齊全，功能強(qiáng)大是DSP程序開發(fā)的首選工具［7］。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將整個(gè)交流勵(lì)磁系統(tǒng)的軟件劃分為主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分。主程序部分主要完成系統(tǒng)初始化、功能模塊、占空比初始化，變量的定義以及按鍵顯示程序的運(yùn)行;中斷服務(wù)程序包括PWM波產(chǎn)生中斷、頻率測(cè)量中斷、AD采樣中斷、故障保護(hù)中斷等。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用典型的前、后臺(tái)模式，以中斷服務(wù)程序?yàn)榍芭_(tái)任務(wù)，主程序作為后臺(tái)任務(wù)。通過對(duì)前、后臺(tái)任務(wù)的及時(shí)切換以及對(duì)前臺(tái)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序達(dá)到及時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)的測(cè)量、控制、顯示等一系列任務(wù)，把耗費(fèi)系統(tǒng)資源的程序放在中斷程序中可明顯提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

系統(tǒng)主程序框圖如圖5所示。

主程序中定義和初始化了一些CPU內(nèi)部寄存器和運(yùn)算時(shí)要用到的變量和常數(shù)，利用通用定時(shí)器、全比較單元、死區(qū)控制單元設(shè)置一個(gè)初始PWM值調(diào)制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，采用這種方式可以大大減少發(fā)電機(jī)的電壓上升時(shí)間。屏蔽所有的中斷，然后封鎖變頻器兩側(cè)，這時(shí)DSP開啟通訊中斷，同時(shí)主程序進(jìn)入一個(gè)無限循環(huán)。通過設(shè)置一系列標(biāo)志位可實(shí)現(xiàn)中斷程序與主循環(huán)程序的交互處理。

將TMS320F2812的MP/MC引腳置1工作在“處理器”模式，可對(duì)片外RAM的引導(dǎo)程序程序方便的進(jìn)行在線調(diào)試。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

4直流母線電壓實(shí)驗(yàn)研究

本文設(shè)計(jì)的勵(lì)磁電源為交直交的電路結(jié)構(gòu)，保持直流母線電壓的穩(wěn)定對(duì)提高變頻器輸出穩(wěn)定性極為重要。利用大電容器可對(duì)直流母線電壓進(jìn)行補(bǔ)償。筆者在MATLAB/Simulink環(huán)境下對(duì)直流母線電壓進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

從仿真結(jié)果看，未并聯(lián)電容器之前，當(dāng)突加負(fù)載時(shí)，輸出電壓會(huì)有一個(gè)瞬時(shí)跌落，之后才逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài);而并聯(lián)電容器后，當(dāng)超級(jí)電容器的電容值足夠大時(shí)，突增負(fù)載后，在電壓跌落的過程中，幾乎不出現(xiàn)電壓低于增加負(fù)載后的穩(wěn)態(tài)電壓的現(xiàn)象。

5 PWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)

利用74HC14對(duì)DSP輸出的PWM波信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大，把放大后的信號(hào)送到高速光耦6N137，最后利用IR公司的IR2130驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)IPM進(jìn)行控制勵(lì)磁輸出。圖8為IR2130的HIN1、LIN1管腳輸出的相位差120°的驅(qū)動(dòng)波形。從圖中可以看出，驅(qū)動(dòng)信號(hào)邊沿陡峭，邏輯正確，死區(qū)延時(shí)明顯，波形畸變率小，能保證對(duì)功率器件的正常驅(qū)動(dòng)，驗(yàn)證了DSP控制交流勵(lì)磁電源的正確性。

圖8 PWM實(shí)測(cè)波形圖

［1］ 楊順昌，廖勇，李輝，等．異步化同步電機(jī)［M］．北京:科學(xué)出版社，2009．

［2］ 姚駿．交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁電源的控制策略研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2008．

［3］ 姜艷波．?dāng)?shù)字信號(hào)處理器DSP應(yīng)用100例［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

［4］ 裴亞強(qiáng)，秦娟，胡仁杰．頻率變化時(shí)交流采樣算法分析［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2004，24(9):24-2

［5］ 周志宇，李裕能，郭松海．基于DSP的同步交流采樣技術(shù)［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2006，26(5):57-60．

［6］ 毛迅．基于DSP的網(wǎng)絡(luò)伺服控制器研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2008．

［7］ 姚鑫．基于DSP的開關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)［D］．天津:河北工業(yè)大學(xué)，2007．

［8］ 尹勇，歐光軍，關(guān)榮峰．DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS開發(fā)指南［M］北京:北京航空航天出版社，2003．

［9］ 趙璐華．基于DSP和功率模塊的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(9):199-202．