基于DSP的電力拖動控制系統的設計

劉景霞

摘 要 現代生產機械的自動化發展對電力拖動系統的要求越來越高，電力拖動系統是機械行業發展的重要組成部分，本文主要討論以數字信號處理器（DSP）為核心的電力拖動控制系統的設計方法，對電動機的強化控制、故障檢測和保護功能的強化，有效保障電力拖動系統在運行過程中的安全性和穩定性。

關鍵詞 電力拖動控制系統；數字信號處理器；硬件設計；軟件設計

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

電力拖動系統即電氣與機械綜合的系統，是機械行業發展的重要組成部分，主要的組成部分為電源、電動機、控制設備、傳動設備等，每一個部分都會影響整個生產系統。近年來，隨著機械自動化的不斷發展，越來越多的企業開始關注電力拖動系統的安全性能。

1 電力拖動控制系統硬件整體設計

1.1 控制系統結構

在電力拖動控制的運行系統中，DSP主要用做采集、處理、控制系統的相關數據。因此，DSP是整個控制系統的核心部分。電力拖動系統中電流、直流電壓、轉速等內容的檢測工作主要由各部分的檢測電路實現，通過這些功能又能夠進一步實現靜態RAM存儲器對數據存儲器及程序的擴展，IPM模塊主要實現對交流電壓向直流電壓的轉變，能夠將頻率可調的三相交流電提供給異步電動機，保證異步電動機的高性能變頻調速性能的實現。

圖1為電力拖動控制系統的硬件設計結構圖。從圖1中可以看出整個電力拖動控制系統主要可以分為3個組成部分，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過一定的處理后被送往數字信號處理器的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；電子旋轉編碼器通過觀點隔離電路將檢測到的信號送到數字信號處理器的正交編碼器脈沖電路中，正交編碼器經過一定的計算方法得出轉速；MAX232幫助數字信號處理器與PC機通信；TMS320？LF2407是一款專為電機控制設置的單片DSP控制器，包含了64K的程序存儲空間，為了進一步擴大整個系統的存儲空間，該電力拖動控制硬件系統中還使用了一種高性能的CMOS靜態RAM16為存儲器，即CY7C1021BV33，用來擴展程序及數據存儲器，

它在讀寫數據時不區分高低字節。譯碼電路的主要作用是區分SRAM？空間的數據區與程序區，根據用戶譯碼方法的不同，劃分方式也會有所區別。

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。本次設計采用的IPM為PM25RLA120，具有欠壓、過流及溫度保護的功能，當IPM發生故障時，光電耦合器將故障輸出信號的FO接到數字信號處理器的PDPINTA上，數字信號處理器將會采取一定的措施，阻止PWM信號的輸出，進而達到保護系統的效果。為了防止IGBT模塊燒壞，IPM的同一橋臂必須互鎖，保證數字信號處理器發出PWM信號時的死區時間充足。死區時間死去定時器控制設定，死區調節電路在TMS320LF2407內部集成。

IPM中，TMS320？LF2407A輸出PWM波控制IGBT管的開關觸發控制信號，功率管將直流電逆變為三相交流電后供給三相異步電動機，該種三相交流電的頻率可以調整。一般情況下，數字信號處理器發出的PWM信號比較微弱，為了保證IGBT接收的信號比較完整、精確，需要在驅動IPM的IGBT之前采用一定的方法對PWM信號進行放大。系統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、仿真調試接口JTAG？以及TPS7333Q幾個部分共同組成了數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、測定轉速等等，在高性能傳動控制系統中，TMS320LF2407芯片能夠使信號處理控制更先進、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波形產生時的費用，用戶工作量相比減少，相關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

本系統采用TRD—S2000B旋轉編碼器檢測電機的轉速。通過TMS320LF2407正交編碼器脈沖電路的脈沖相位確定出電機的運行方向、脈沖個數的運動位置，位置信號經過差分處理之后可以用來判斷脈沖運動的速度。

1.5 電流、電壓檢測

TBC30P電流傳感器主要用來檢測電機的相電流，信號經過放大后，高速雙向二級管BAV99會對其進行限幅處理，限幅完成后被送到DSP的A/D轉換端，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轉換端，得到比例為500V一3.0V的采樣信號。為了保證開關管IGBT的安全，可以檢測并控制IPM直流側的直流母線電壓，另外為了實現控制電機轉速的目的，還可以通過？PWM？控制信號得到IPM提供給電機的交流電壓量。

2 拖動控制系統的軟件設計

2.1 異步電動機的矢量控制

交流電機通過矢量控制將異步電動機以坐標轉換成為直流電動機模型，為了解耦控制磁通與轉矩，交流電機按照一定的矢量方式將定子電流分解為直流分量，2個直流分量的方向根據轉子磁場進行確定，并采用一定的方式分別控制2個直流分量。使用電壓源逆變器供電時，空間矢量脈寬調制技術在一定程度上控制了逆變器的開關，使三相電機的定子產生跟蹤圓形旋轉的磁場。這種控制方法計算起來比較簡單，提高了直流側電源電壓的利用率，且電機的諧波損耗逐步減少，轉矩脈動也有所降低。

矢量控制的優點在于，它具有比較良好的低速運行的性能，速度控制可以從零轉速開始，調速的范圍比較廣泛，轉矩的控制比較精確，因此，將矢量控制運用與交流電機中，可以提高電動機的加速特性。

三相異步電動機中，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機的轉速，轉速測量完成后經過一定的計算方法可以知曉定子電流的控制量，最終實現對2個分量的解耦控制。

2.2 軟件設計系統

拖動控制系統的軟件系統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了不同的任務，主程序可以用來初始化系統，檢測系統內的電壓、電流及速度，并對系統中可能出現的故障進行診斷，從而實現保護系統的目的，中斷子程序的主要作用是實現電流環的坐標轉換、PWM發生等過程，最終使系統速度控制的精度達到一定程度，同時提高開關的頻率。

3 結論

本文講述的控制系統，結合了DSP的優點，它的運算能力較高，計算速度較快，擁有十分豐富非內外設資源，且系統外圍的電路比較少，安全可靠。另外，IPM的應用，簡化了電機系統的硬件設計，使電機控制更加實時可靠，精度較高，優點顯著。

參考文獻

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