基于DSP的电力拖动控制系统的设计

刘景霞

摘 要 现代生产机械的自动化发展对电力拖动系统的要求越来越高，电力拖动系统是机械行业发展的重要组成部分，本文主要讨论以数字信号处理器（DSP）为核心的电力拖动控制系统的设计方法，对电动机的强化控制、故障检测和保护功能的强化，有效保障电力拖动系统在运行过程中的安全性和稳定性。

关键词 电力拖动控制系统；数字信号处理器；硬件设计；软件设计

中图分类号 TM7 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）164-0179-01

电力拖动系统即电气与机械综合的系统，是机械行业发展的重要组成部分，主要的组成部分为电源、电动机、控制设备、传动设备等，每一个部分都会影响整个生产系统。近年来，随着机械自动化的不断发展，越来越多的企业开始关注电力拖动系统的安全性能。

1 电力拖动控制系统硬件整体设计

1.1 控制系统结构

在电力拖动控制的运行系统中，DSP主要用做采集、处理、控制系统的相关数据。因此，DSP是整个控制系统的核心部分。电力拖动系统中电流、直流电压、转速等内容的检测工作主要由各部分的检测电路实现，通过这些功能又能够进一步实现静态RAM存储器对数据存储器及程序的扩展，IPM模块主要实现对交流电压向直流电压的转变，能够将频率可调的三相交流电提供给异步电动机，保证异步电动机的高性能变频调速性能的实现。

图1为电力拖动控制系统的硬件设计结构图。从图1中可以看出整个电力拖动控制系统主要可以分为3个组成部分，即功率模块、控制模块及检测模块。将电流霍尔传感器TBC30P电路接在逆变桥的输出端，可以组成电流检测电路，电流信号从霍尔电流传感器中输出后经过一定的处理后被送往数字信号处理器的ADC端；直流电压检测电路包括电阻、电压霍尔传感器、整流器等元器件；电子旋转编码器通过观点隔离电路将检测到的信号送到数字信号处理器的正交编码器脉冲电路中，正交编码器经过一定的计算方法得出转速；MAX232帮助数字信号处理器与PC机通信；TMS320？LF2407是一款专为电机控制设置的单片DSP控制器，包含了64K的程序存储空间，为了进一步扩大整个系统的存储空间，该电力拖动控制硬件系统中还使用了一种高性能的CMOS静态RAM16为存储器，即CY7C1021BV33，用来扩展程序及数据存储器，

它在读写数据时不区分高低字节。译码电路的主要作用是区分SRAM？空间的数据区与程序区，根据用户译码方法的不同，划分方式也会有所区别。

1.2 功率模块

IPM、滤波电路及不可控整流共同组成了功率模块。本次设计采用的IPM为PM25RLA120，具有欠压、过流及温度保护的功能，当IPM发生故障时，光电耦合器将故障输出信号的FO接到数字信号处理器的PDPINTA上，数字信号处理器将会采取一定的措施，阻止PWM信号的输出，进而达到保护系统的效果。为了防止IGBT模块烧坏，IPM的同一桥臂必须互锁，保证数字信号处理器发出PWM信号时的死区时间充足。死区时间死去定时器控制设定，死区调节电路在TMS320LF2407内部集成。

IPM中，TMS320？LF2407A输出PWM波控制IGBT管的开关触发控制信号，功率管将直流电逆变为三相交流电后供给三相异步电动机，该种三相交流电的频率可以调整。一般情况下，数字信号处理器发出的PWM信号比较微弱，为了保证IGBT接收的信号比较完整、精确，需要在驱动IPM的IGBT之前采用一定的方法对PWM信号进行放大。系统中的不可控整流二极管模块的滤波电路由电解电容组成，三相桥式不可控整流电路则由整流二级管组成。

1.3 控制电路

TMS320LF2407、TLP550快速光耦、仿真调试接口JTAG？以及TPS7333Q几个部分共同组成了数字信号处理器的控制电路。它的主要作用是处理模糊？PID？控制算法、输出PWM？控制信号、测定转速等等，在高性能传动控制系统中，TMS320LF2407芯片能够使信号处理控制更先进、高效。

PWM电路的使用对于控制电路而言十分有利，它极大的降低了PWM波形产生时的费用，用户工作量相比减少，相关的外部硬件及控制软件有了一定程度的简化。

1.4 检测电路

本系统采用TRD—S2000B旋转编码器检测电机的转速。通过TMS320LF2407正交编码器脉冲电路的脉冲相位确定出电机的运行方向、脉冲个数的运动位置，位置信号经过差分处理之后可以用来判断脉冲运动的速度。

1.5 电流、电压检测

TBC30P电流传感器主要用来检测电机的相电流，信号经过放大后，高速双向二级管BAV99会对其进行限幅处理，限幅完成后被送到DSP的A/D转换端，得到比例为30A一3.0V采样信号。以LV28一P电压传感器检测直流母线电压，放大信号，以高速双向二极BAV99将信号限幅然后送到DSP？的？A/D转换端，得到比例为500V一3.0V的采样信号。为了保证开关管IGBT的安全，可以检测并控制IPM直流侧的直流母线电压，另外为了实现控制电机转速的目的，还可以通过？PWM？控制信号得到IPM提供给电机的交流电压量。

2 拖动控制系统的软件设计

2.1 异步电动机的矢量控制

交流电机通过矢量控制将异步电动机以坐标转换成为直流电动机模型，为了解耦控制磁通与转矩，交流电机按照一定的矢量方式将定子电流分解为直流分量，2个直流分量的方向根据转子磁场进行确定，并采用一定的方式分别控制2个直流分量。使用电压源逆变器供电时，空间矢量脉宽调制技术在一定程度上控制了逆变器的开关，使三相电机的定子产生跟踪圆形旋转的磁场。这种控制方法计算起来比较简单，提高了直流侧电源电压的利用率，且电机的谐波损耗逐步减少，转矩脉动也有所降低。

矢量控制的优点在于，它具有比较良好的低速运行的性能，速度控制可以从零转速开始，调速的范围比较广泛，转矩的控制比较精确，因此，将矢量控制运用与交流电机中，可以提高电动机的加速特性。

三相异步电动机中，逆变器通过TMS320LF2407？提供的6路PWM波控制，光电编码器可以测量三相异步电动机的转速，转速测量完成后经过一定的计算方法可以知晓定子电流的控制量，最终实现对2个分量的解耦控制。

2.2 软件设计系统

拖动控制系统的软件系统由主程序与中断子程序共同组成。主程序与中断子程序分别承担了不同的任务，主程序可以用来初始化系统，检测系统内的电压、电流及速度，并对系统中可能出现的故障进行诊断，从而实现保护系统的目的，中断子程序的主要作用是实现电流环的坐标转换、PWM发生等过程，最终使系统速度控制的精度达到一定程度，同时提高开关的频率。

3 结论

本文讲述的控制系统，结合了DSP的优点，它的运算能力较高，计算速度较快，拥有十分丰富非内外设资源，且系统外围的电路比较少，安全可靠。另外，IPM的应用，简化了电机系统的硬件设计，使电机控制更加实时可靠，精度较高，优点显著。

参考文献

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