基于DSP的電力拖動控制系統設計分析

盧俊森

（云南移民產業投融資有限公司，云南 昆明 650051）

1 基于DSP的電力拖動控制系統軟件設計

1.1 矢量控制

在一個電力拖動控制系統中，交流電機在矢量控制的作用下，通過坐標工作象限的轉換方式，將異步電機轉為直流電動機模型。在這一過程中，為了對磁通與轉矩進行解耦控制，交流電機通過一定矢量控制，將定子電流分為兩個直流分量，分量方向由轉子的磁場所決定。在采用電壓源逆變器進行供電時，通過應用空間脈寬矢量控制（SVPWM）技術，能夠實現逆變器開關控制，從而有效提升直流側電源電壓利用效率。而在三相異步電動機控制系統中，我們可以借助TMS 320 LF 2407單片機編程，能實現對PWM波的調制，對電機轉速偏差信號的實時采樣，采用光電編碼器實現，最后通過相應計算來獲得定子電流控制量，從而實現對兩個電流直流分量的矢量控制。在實際進行矢量控制的過程中，電機的轉速可以從零開始，通過進行相應的調速控制，可以使得電動機始終保持較好一個良好穩定的低速運行狀態，在矢量控制的作用下，亦能有效擴大調速范圍，與此同時，還能夠有效提升轉矩控制精準性，并且使其動態響應速度變得更快，最終賦予電動機更為優質的加速性能。因此，在電力拖動控制中利用矢量控制設計，能夠顯著提升系統的低速運行的性能，保障電動機加速的穩定安全性，有效減少故障發生的概率。

1.2 軟件功能設計

電力拖動控制系統的軟件功能呈現主要依賴于兩種程序，一是主程序，二是中斷子程序，具體功能內容如圖1所示，從圖1中我們能夠認識到，主程序實時運行，其功能主要是完成電力拖動控制系統初始化，并對電壓、電流以及轉速進行檢測，同時還具有故障診斷與保護功能。而中斷子程序具有響應及時，運行可靠的特點，將其用于實現對電流環的坐標轉換，能有效提升控制精度，減少中斷時間。

圖1 電力拖動控制系統軟件控制程序功能

2 基于DSP的電力拖動控制系統硬件設計

2.1 電壓和電流

在系統設計時，對電機相電流檢測，需要可采用TBC30P電流傳感器，然后將信號進行放大。在高速雙向二極管的幫助下，先進行限幅控制，然后再輸送至DSP的A/D轉換端，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，可以實現其運行狀態檢測，采樣信號也能進一步放大。通過高速雙向二極管，實現限幅功能，在此基礎上，可以將其輸送至DSP的A/D轉換端，此時，采樣信號將會得到有效控制，變為3~500V。最后，針對IPM，可以對母線電壓進行檢測，并對其進行相應控制，從而全面保障開關管IGBT安全。在此基礎上，在PWM幫助下，做好控制信號的發射，由此能夠得到電動機交流電壓大小，然后即可結合實際，通過檢測控制電流電壓，實現對電動機轉速控制。

2.2 檢測電路

電動機轉速信號的檢測，我們可以選擇TRD-S2000B旋轉編碼器，針對電路形成一個完整的閉環控制。對TMS 320 LF 2407單片機而言，本身具有正交編碼器脈沖電路QEP。結合光電編碼器兩組脈沖相位的幫助，能夠完成對電動機運動方向的判斷。與此同時，還能夠通過進行脈沖數量的記錄，實現對電機具體運動位置的確定。然后進行位置信號的差分處理，就可以活動電機的轉動速度。如果電機處于正轉的狀態，在QEP電路方向之上，檢測出運轉邏輯，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，則處于領先的位置。不僅如此，脈沖序列還會產生一個方向信號，通過該信號，我們能夠確定T1定時器方向。而對計數器TICNT而言，則能夠實現遞增計數。在這一過程中，如果電動機出現了反向轉動情況，計數器TICNT也會做出相應改變，實現反向計數。在光電解碼器中進行輸出的信號，可以通過光耦方式，實現光電隔離。

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、仿真調試接口JTAG、快速光耦TLP550等，在這些裝置部件的作用下，能夠對電動機轉速進行測定，能夠對電壓、電流進行采樣，實現對模型數據的轉化，同時在PID模糊算法幫助下，實現對控制信號的輸出等。在DSP芯片中，TMS 320 LF 2407是電動機控制核心，能夠為電機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，我們也能夠自由控制。防止上下橋臂在運轉時，同時輸出脈沖。而在電動機控制時，通過進行PWM控制電路的設計，可減輕CPU運行壓力。另一方面，針對用于同步脈寬調制波形控制軟件，還對其進行了有效的簡化，使其硬件軟件配置數量更少，運行成本更低。

2.4 功率模塊

在電力拖動系統的功率模塊之中，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，還包括柵極驅動電路以及檢測電流，不僅如此，自身還具備欠壓、溫度保護、過流等功能。在IPM中，故障輸出信號FO通過光電耦合器進行傳輸，能夠直接連接再回DSP的PDPINTA之中。在IPM出現故障問題時，DSP能夠將相應事件管理器輸出引起設置成為高阻狀態，此時PWM便無法進行信號的輸出，從而達到對電力拖動系統的保護作用。與此同時，在IPM中，要求在同一橋臂上下開關之間，始終存在一個截止，且不同開關之間必須互鎖。基于此，在DSP在發出PMW信號后，應具備充足的死區時間。否則，同一橋臂上下開關之間將會出現同時導通的問題，最終會因此IGBT模塊運行過載，引發燒毀問題。在TMS 320 LF 2407內部，還集成了死區調節電路，在該電路之中，通過死區定時器完成對寄存器DBTCONA調節控制。

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波進行控制。在功率管的幫助下，通過自身有規律的通斷控制，能夠對直流電進行逆變，使其成為三相交流電，從而為異步電動機運轉提供相應的電能。在DSP運轉過程中，PWM信號一般比較弱，因此在IPM前，需要先放大相應信號。在系統設計中，還采用了不可控整流二極管模塊，在模塊內部，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

控制模塊是系統的最重要組成部份之一，設計時需要重點考慮，而DSP作為數字信號處理裝置，成為控制模塊設計的核心。在電力拖動系統中，在進行電壓、電流檢測時，主要依靠上述檢測電路來實現。在這些功能的幫助下，能夠促使靜態RAM存儲器實現對數據存儲的擴展。而在IPM控制模塊之中，主要控制功能是將交流電壓轉化為直流電壓，保障異步電動機有著充足的交流電流供應，充分發揮異步電機優秀的變頻調速性能。在電力拖動控制系統的控制模塊中，通過將電流霍爾傳感器TBC30P電路連接在逆變橋另一端，能夠實現線路檢測控制，電流信號在從TBC30P電路中輸出后，會經過控制模塊處理，然后由DSP接收。MAX232單電源電平轉換芯片能夠將DSP與計算機關聯在一起，TMS 320 LF 2407作為一種單片機，能夠對電機進行操控，內部有64k程序控制空間，為了進一步提升控制效果，同時還引入了CMOS靜態存儲器，從而進一步擴大程序內部控制空間，提高傳輸信號控制的效果。

3 結語

綜上所述，本次所設計的電力拖動系統，主要以DSP為基礎，借助了DSP強大的運算能力與數字信號處理能力，同時還利用了DSP各種內外設資源，有效減少了系統的外圍電路，且提升了系統運轉的可靠穩定性。在實際設計過程中，通過引入IPM這種相對比較簡單的逆變電路，能夠有效實現電動機的實時控制，同時也使得系統在整體硬件設計方面更加的簡約，保障了電力拖動系統功能能夠得到充分地發揮與展現，賦予了系統動態響應迅速、實時控制性、高精度性等優點。