基于DSP的电力拖动控制系统设计分析

卢俊森

（云南移民产业投融资有限公司，云南 昆明 650051）

1 基于DSP的电力拖动控制系统软件设计

1.1 矢量控制

在一个电力拖动控制系统中，交流电机在矢量控制的作用下，通过坐标工作象限的转换方式，将异步电机转为直流电动机模型。在这一过程中，为了对磁通与转矩进行解耦控制，交流电机通过一定矢量控制，将定子电流分为两个直流分量，分量方向由转子的磁场所决定。在采用电压源逆变器进行供电时，通过应用空间脉宽矢量控制（SVPWM）技术，能够实现逆变器开关控制，从而有效提升直流侧电源电压利用效率。而在三相异步电动机控制系统中，我们可以借助TMS 320 LF 2407单片机编程，能实现对PWM波的调制，对电机转速偏差信号的实时采样，采用光电编码器实现，最后通过相应计算来获得定子电流控制量，从而实现对两个电流直流分量的矢量控制。在实际进行矢量控制的过程中，电机的转速可以从零开始，通过进行相应的调速控制，可以使得电动机始终保持较好一个良好稳定的低速运行状态，在矢量控制的作用下，亦能有效扩大调速范围，与此同时，还能够有效提升转矩控制精准性，并且使其动态响应速度变得更快，最终赋予电动机更为优质的加速性能。因此，在电力拖动控制中利用矢量控制设计，能够显著提升系统的低速运行的性能，保障电动机加速的稳定安全性，有效减少故障发生的概率。

1.2 软件功能设计

电力拖动控制系统的软件功能呈现主要依赖于两种程序，一是主程序，二是中断子程序，具体功能内容如图1所示，从图1中我们能够认识到，主程序实时运行，其功能主要是完成电力拖动控制系统初始化，并对电压、电流以及转速进行检测，同时还具有故障诊断与保护功能。而中断子程序具有响应及时，运行可靠的特点，将其用于实现对电流环的坐标转换，能有效提升控制精度，减少中断时间。

图1 电力拖动控制系统软件控制程序功能

2 基于DSP的电力拖动控制系统硬件设计

2.1 电压和电流

在系统设计时，对电机相电流检测，需要可采用TBC30P电流传感器，然后将信号进行放大。在高速双向二极管的帮助下，先进行限幅控制，然后再输送至DSP的A/D转换端，在这一过程中，还需要控制电压和电流采样信号的比例，一般为3V-30A。在电压传感器LV28-P的帮助下，针对直流母线电压，可以实现其运行状态检测，采样信号也能进一步放大。通过高速双向二极管，实现限幅功能，在此基础上，可以将其输送至DSP的A/D转换端，此时，采样信号将会得到有效控制，变为3~500V。最后，针对IPM，可以对母线电压进行检测，并对其进行相应控制，从而全面保障开关管IGBT安全。在此基础上，在PWM帮助下，做好控制信号的发射，由此能够得到电动机交流电压大小，然后即可结合实际，通过检测控制电流电压，实现对电动机转速控制。

2.2 检测电路

电动机转速信号的检测，我们可以选择TRD-S2000B旋转编码器，针对电路形成一个完整的闭环控制。对TMS 320 LF 2407单片机而言，本身具有正交编码器脉冲电路QEP。结合光电编码器两组脉冲相位的帮助，能够完成对电动机运动方向的判断。与此同时，还能够通过进行脉冲数量的记录，实现对电机具体运动位置的确定。然后进行位置信号的差分处理，就可以活动电机的转动速度。如果电机处于正转的状态，在QEP电路方向之上，检测出运转逻辑，并在光电解码器A相之上，测定出QEP1输入引脚。而对脉冲序列相位而言，相较于光电解码器B相QEP2上的脉冲信号，则处于领先的位置。不仅如此，脉冲序列还会产生一个方向信号，通过该信号，我们能够确定T1定时器方向。而对计数器TICNT而言，则能够实现递增计数。在这一过程中，如果电动机出现了反向转动情况，计数器TICNT也会做出相应改变，实现反向计数。在光电解码器中进行输出的信号，可以通过光耦方式，实现光电隔离。

2.3 控制电路

在DSP控制电路中，包含了诸多装置部件，比如TMS 320 LF 2407单片机、仿真调试接口JTAG、快速光耦TLP550等，在这些装置部件的作用下，能够对电动机转速进行测定，能够对电压、电流进行采样，实现对模型数据的转化，同时在PID模糊算法帮助下，实现对控制信号的输出等。在DSP芯片中，TMS 320 LF 2407是电动机控制核心，能够为电机控制提供高效的信号处理。在TMS 320 LF 2407中，存在有两个事件管理模块，他们分别是EVA与EVB。在每个模块之中，均包含有8个PWM脉宽调制通道，每个通道有16bit信息量，能够使得PWM输出对称或者非对称波形，最终生成SVPWM电路。不仅如此，通过编程方式，针对PWM死区，我们也能够自由控制。防止上下桥臂在运转时，同时输出脉冲。而在电动机控制时，通过进行PWM控制电路的设计，可减轻CPU运行压力。另一方面，针对用于同步脉宽调制波形控制软件，还对其进行了有效的简化，使其硬件软件配置数量更少，运行成本更低。

2.4 功率模块

在电力拖动系统的功率模块之中，同样有不同部件组成，比如IPM模块、滤波电路、不可控整流模块等，其中对IPM模块而言，在该模块内部，一般集成有第五代低功耗的IGBT芯管，除此之外，还包括栅极驱动电路以及检测电流，不仅如此，自身还具备欠压、温度保护、过流等功能。在IPM中，故障输出信号FO通过光电耦合器进行传输，能够直接连接再回DSP的PDPINTA之中。在IPM出现故障问题时，DSP能够将相应事件管理器输出引起设置成为高阻状态，此时PWM便无法进行信号的输出，从而达到对电力拖动系统的保护作用。与此同时，在IPM中，要求在同一桥臂上下开关之间，始终存在一个截止，且不同开关之间必须互锁。基于此，在DSP在发出PMW信号后，应具备充足的死区时间。否则，同一桥臂上下开关之间将会出现同时导通的问题，最终会因此IGBT模块运行过载，引发烧毁问题。在TMS 320 LF 2407内部，还集成了死区调节电路，在该电路之中，通过死区定时器完成对寄存器DBTCONA调节控制。

在IPM中的IGBT功率管本身能够起到逆变作用，一般由TMS 320 LF 2407所输出的六路PMW波进行控制。在功率管的帮助下，通过自身有规律的通断控制，能够对直流电进行逆变，使其成为三相交流电，从而为异步电动机运转提供相应的电能。在DSP运转过程中，PWM信号一般比较弱，因此在IPM前，需要先放大相应信号。在系统设计中，还采用了不可控整流二极管模块，在模块内部，则由三相桥式不可控整流电路组成，滤波电路则由电解电容组成。

2.5 控制模块

控制模块是系统的最重要组成部份之一，设计时需要重点考虑，而DSP作为数字信号处理装置，成为控制模块设计的核心。在电力拖动系统中，在进行电压、电流检测时，主要依靠上述检测电路来实现。在这些功能的帮助下，能够促使静态RAM存储器实现对数据存储的扩展。而在IPM控制模块之中，主要控制功能是将交流电压转化为直流电压，保障异步电动机有着充足的交流电流供应，充分发挥异步电机优秀的变频调速性能。在电力拖动控制系统的控制模块中，通过将电流霍尔传感器TBC30P电路连接在逆变桥另一端，能够实现线路检测控制，电流信号在从TBC30P电路中输出后，会经过控制模块处理，然后由DSP接收。MAX232单电源电平转换芯片能够将DSP与计算机关联在一起，TMS 320 LF 2407作为一种单片机，能够对电机进行操控，内部有64k程序控制空间，为了进一步提升控制效果，同时还引入了CMOS静态存储器，从而进一步扩大程序内部控制空间，提高传输信号控制的效果。

3 结语

综上所述，本次所设计的电力拖动系统，主要以DSP为基础，借助了DSP强大的运算能力与数字信号处理能力，同时还利用了DSP各种内外设资源，有效减少了系统的外围电路，且提升了系统运转的可靠稳定性。在实际设计过程中，通过引入IPM这种相对比较简单的逆变电路，能够有效实现电动机的实时控制，同时也使得系统在整体硬件设计方面更加的简约，保障了电力拖动系统功能能够得到充分地发挥与展现，赋予了系统动态响应迅速、实时控制性、高精度性等优点。