DSP在异步电机数字化变频调速系统中的应用

随着电力电子技术的提高,以高性能微处理器为核心的数字化变频调速系统,以其调速范围宽、效率高、动态性能好等特点,越来越广泛地应用在交流调速领域[1]。数字信号处理器(DSP)作为高速专用的微处理器,运算功能强大,数据传输速度快,在数字控制领域应用广泛。其中,美国TI公司的高性能16位DSP –TMS320LF2407,是专门为电机控制设计的,它内部自带了PWM输出单元,易于编程实现三相空间互差120o的SPWM波形,特别适合三相电机的高性能控制[2]。它处理速度很快,并且片内集成了丰富的外设,极大地减少了系统设计的元器件数量,提高了系统的控制精度。

1、系统总体设计

基于DSP的数字控制变频调速系统的原理框图如图1所示。

主回路由三相整流电路、大电容滤波电路和PWM逆变电路构成,PWM逆变电路使用了全控开关器件IGBT,即绝缘栅型双极晶体管。它集合了MOSFET和GTR的优点,输入阻抗高、速度快、热稳定性好,而且耐压高、容量大,驱动电路简单,很适合在电机拖动场合的逆变器电路上应用。

控制电路由DSP芯片、驱动电路和键盘显示等外围电路构成。DSP芯片处理由键盘输入的控制信号,一方面输出到显示部分显示电机的运行信息,另一方面输出SPWM信号到驱动电路,从而控制逆变电路中的6个IGBT的通断,达到控制电机转速的目的。此外,DSP芯片还控制限流电阻R的切除。为避免大滤波电容在合上电源开关通电瞬间产生过大的充电电流,设计中在整流器和滤波电容间的直流回路上串联了限流电阻R,刚通电时,R接入电路,经过一定时间,DSP芯片控制开关S将R短路,以免变频器正常工作时产生附加损耗。

检测电路由电流检测和电压检测组成。电流和电压均采用霍尔元件检测,以满足精度的要求。电流检测有两部分,一个是对定子电流检测,另一个是对主电路电流检测,当检测到主电路电流过流时,就会立即给DSP发送信号,封锁SPWM波形的输出。对这两类信号检测,送入DSP芯片进行处理,可以实现电机的过流和过压保护,提高电机运行性能。

2、硬件设计

设计中硬件主要是以DSP为核心,除了利用了TMS320LF2407本身的一些功能模块外,还在此基础上进行了扩展,最终实现SPWM信号的产生、模拟量的采集、数据的输入输出等功能,构成了完整的调速系统。

TMS320LF2407的指令执行速度为30MIPS(指令周期只有33ns),它不仅片内有丰富的存储器资源,而且还有可扩展的多达192K字空间的外部存储器。它有两个事件管理器模块(EVA和EVB),可以用来控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。它的片内集成了丰富的外设,极大地减少了系统设计的元器件数量。从系统的结构图中可以看到,设计中主要使用了它的A/D转换模块、EVB模块、IO口和JTAG接口。

2407的带内置采样/保持的10位A/D转换器,其最小转换时间为500ns,可以选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。设计中由于只对电压、电流进行了采样,所以只用到了2个采样通道,分别为ADCIN0和ADCIN1。

两个事件管理器模块EVA、EVB,每个都包括两个l6位通用定时器和8个16位的脉宽调制(PWM)通道。利用它们可以产生PWM的对称和非对称波形；在当外部引脚/PDPINTx出现低电平时能快速关闭PWM通道；并可使用可编程的PWM死区控制来防止上、下桥臂同时输出触发脉冲。设计中用到了EVB模块的PWM7～PWM12管脚,输出6路对称的SPWM信号,通过驱动电路控制IGBT的通断。使用引脚/PDPINTB来检测外部故障信号,以便在故障发生时能快速关闭PWM通道。

2407的数字输入输出模块有高达40个可单独编程或复用的通用输入输出引脚。这些引脚的功能可通过两种控制寄存器来设置:I/O口复用控制寄存器(MCRx)和数据和方向控制寄存器(PxDATDIR)。设计中用到了IOPB0～IOPB5作为键盘的输入,控制电机频率的增、减和电机的正反转。每按频率增加键一次,频率增加1；按频率减小键,频率减小1,增减的幅度是由内部编程设定的。另外还使用了IOPC1～IOPC3管脚与LCD液晶显示模块12232F进行数据传输,用来显示转速信息及瞬时频率。12232F内置了汉字库和ASCII字符集,可完成图形显示,也可显示16*16点阵的汉字。与外部CPU接口可采用并行或串行方式控制,本系统中为减少数据口的使用,同时与DSP更好地接口,采用了串行控制的方式。

JTAG接口可以克服TMS320LF2407结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、引脚排列密集等因素造成的不便,能够极其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试。

简而言之,硬件部分采用了测试集成的设计思想,以DSP为基础,设计输入输出电路实现参数的设置和显示,配置相应的传感器模块对电机的电压、电流参数进行测量,实现了对电机运动状态的控制和观测。