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(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.1 矢量控制

在一個(gè)電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中，交流電機(jī)在矢量控制的作用下，通過(guò)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(dòng)機(jī)模型。在這一過(guò)程中，為了對(duì)磁通與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行解耦控制，交流電機(jī)通過(guò)一定矢量控制，將定子電流分為兩個(gè)直流分量，分量方向由轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)所決定。在采用電壓源逆變器進(jìn)行供電時(shí)，通過(guò)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(kāi)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)PWM波的調(diào)制，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣，采用光電編碼器實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)相應(yīng)計(jì)算來(lái)獲得定子電流控制量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)電流直流分量的矢量控制。在實(shí)際進(jìn)行矢量控制的過(guò)程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以從零開(kāi)始，通過(guò)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)速控制，可以使得電動(dòng)機(jī)始終保持較好一個(gè)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(shí)，還能夠有效提升轉(zhuǎn)矩控制精準(zhǔn)性，并且使其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變得更快，最終賦予電動(dòng)機(jī)更為優(yōu)質(zhì)的加速性能。因此，在電力拖動(dòng)控制中利用矢量控制設(shè)計(jì)，能夠顯著提升系統(tǒng)的低速運(yùn)行的性能，保障電動(dòng)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(jì)

電力拖動(dòng)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(shí)到，主程序?qū)崟r(shí)運(yùn)行，其功能主要是完成電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)初始化，并對(duì)電壓、電流以及轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)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(shí)，運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，將其用于實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)間。

圖1 電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)軟件控制程序功能

2 基于DSP的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電壓和電流

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)電機(jī)相電流檢測(cè)，需要可采用TBC30P電流傳感器，然后將信號(hào)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(guò)程中，還需要控制電壓和電流采樣信號(hào)的比例，一般為3V-30A。在電壓傳感器LV28-P的幫助下，針對(duì)直流母線電壓，可以實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)，采樣信號(hào)也能進(jìn)一步放大。通過(guò)高速雙向二極管，實(shí)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(shí)，采樣信號(hào)將會(huì)得到有效控制，變?yōu)?~500V。最后，針對(duì)IPM，可以對(duì)母線電壓進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)控制，從而全面保障開(kāi)關(guān)管IGBT安全。在此基礎(chǔ)上，在PWM幫助下，做好控制信號(hào)的發(fā)射，由此能夠得到電動(dòng)機(jī)交流電壓大小，然后即可結(jié)合實(shí)際，通過(guò)檢測(cè)控制電流電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

2.2 檢測(cè)電路

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的檢測(cè)，我們可以選擇TRD-S2000B旋轉(zhuǎn)編碼器，針對(duì)電路形成一個(gè)完整的閉環(huán)控制。對(duì)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(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的判斷。與此同時(shí)，還能夠通過(guò)進(jìn)行脈沖數(shù)量的記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)具體運(yùn)動(dòng)位置的確定。然后進(jìn)行位置信號(hào)的差分處理，就可以活動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)出運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯，并在光電解碼器A相之上，測(cè)定出QEP1輸入引腳。而對(duì)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(hào)，則處于領(lǐng)先的位置。不僅如此，脈沖序列還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向信號(hào)，通過(guò)該信號(hào)，我們能夠確定T1定時(shí)器方向。而對(duì)計(jì)數(shù)器TICNT而言，則能夠?qū)崿F(xiàn)遞增計(jì)數(shù)。在這一過(guò)程中，如果電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了反向轉(zhuǎn)動(dòng)情況，計(jì)數(shù)器TICNT也會(huì)做出相應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)反向計(jì)數(shù)。在光電解碼器中進(jìn)行輸出的信號(hào)，可以通過(guò)光耦方式，實(shí)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?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)定，能夠?qū)﹄妷?、電流進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，同時(shí)在PID模糊算法幫助下，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的輸出等。在DSP芯片中，TMS 320 LF 2407是電動(dòng)機(jī)控制核心，能夠?yàn)殡姍C(jī)控制提供高效的信號(hào)處理。在TMS 320 LF 2407中，存在有兩個(gè)事件管理模塊，他們分別是EVA與EVB。在每個(gè)模塊之中，均包含有8個(gè)PWM脈寬調(diào)制通道，每個(gè)通道有16bit信息量，能夠使得PWM輸出對(duì)稱或者非對(duì)稱波形，最終生成SVPWM電路。不僅如此，通過(guò)編程方式，針對(duì)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(shí)，同時(shí)輸出脈沖。而在電動(dòng)機(jī)控制時(shí)，通過(guò)進(jìn)行PWM控制電路的設(shè)計(jì)，可減輕CPU運(yùn)行壓力。另一方面，針對(duì)用于同步脈寬調(diào)制波形控制軟件，還對(duì)其進(jìn)行了有效的簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)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(dòng)電路以及檢測(cè)電流，不僅如此，自身還具備欠壓、溫度保護(hù)、過(guò)流等功能。在IPM中，故障輸出信號(hào)FO通過(guò)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(wèn)題時(shí)，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(shí)PWM便無(wú)法進(jìn)行信號(hào)的輸出，從而達(dá)到對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)作用。與此同時(shí)，在IPM中，要求在同一橋臂上下開(kāi)關(guān)之間，始終存在一個(gè)截止，且不同開(kāi)關(guān)之間必須互鎖?；诖耍贒SP在發(fā)出PMW信號(hào)后，應(yīng)具備充足的死區(qū)時(shí)間。否則，同一橋臂上下開(kāi)關(guān)之間將會(huì)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的問(wèn)題，最終會(huì)因此IGBT模塊運(yùn)行過(guò)載，引發(fā)燒毀問(wèn)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(guò)死區(qū)定時(shí)器完成對(duì)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(guò)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供相應(yīng)的電能。在DSP運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，PWM信號(hào)一般比較弱，因此在IPM前，需要先放大相應(yīng)信號(hào)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮，而DSP作為數(shù)字信號(hào)處理裝置，成為控制模塊設(shè)計(jì)的核心。在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，在進(jìn)行電壓、電流檢測(cè)時(shí)，主要依靠上述檢測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這些功能的幫助下，能夠促使靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的控制模塊中，通過(guò)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(cè)控制，電流信號(hào)在從TBC30P電路中輸出后，會(huì)經(jīng)過(guò)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(jì)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(shí)還引入了CMOS靜態(tài)存儲(chǔ)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(hào)控制的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本次所設(shè)計(jì)的電力拖動(dòng)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(hào)處理能力，同時(shí)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(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)引入IPM這種相對(duì)比較簡(jiǎn)單的逆變電路，能夠有效實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)也使得系統(tǒng)在整體硬件設(shè)計(jì)方面更加的簡(jiǎn)約，保障了電力拖動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、實(shí)時(shí)控制性、高精度性等優(yōu)點(diǎn)。