基于DSP+CPLD的交流電機調速系統的應用

1 引言

生化反應池在水處理過(guò)程中非常重要。需要通過(guò)調整風(fēng)機的轉速控制反應池中的DO值。理論上應該通過(guò)調節電動(dòng)機的轉速來(lái)實(shí)現，但實(shí)際上卻是利用擋板閥門(mén)后者放空的方法進(jìn)行調節。這種方法極大地浪費了電力資源。以美國TI公司推出的TMS320LF2407為代表的面向電機控制的高性能數字信號處理可以對電機進(jìn)行精確控制，大大提高了交流電機的性能，能夠設計出性能優(yōu)良的控制系統。同時(shí)，可編程邏輯器件特別是高密度可編程邏輯器件CPLD的出現，使得外圍邏輯電路大大簡(jiǎn)化，增強了系統的可靠性。本文以TMS320LF2407為控制核心，輔以可編程器件及外圍電路，設計異步交流電機的調速控制系統。

2 系統總體設計

2.1 變頻方式的選擇

系統采用磁場(chǎng)定向矢量控制的方法對電機變頻，又稱(chēng)FOC控制。其實(shí)質(zhì)是將異步交流電動(dòng)機等效直流電動(dòng)機，將三相坐標系下的定子交流電流通過(guò)3／2變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流，再通過(guò)轉子磁場(chǎng)定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流，相當于直流電動(dòng)機的勵磁電流和電樞電流，然后模仿直流電動(dòng)機的控制方法，分別對速度、磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨立控制，實(shí)現解耦控制，矢量控制可以從零轉速起進(jìn)行速度控制，即使低速亦能運行，調速范圍廣；可以對轉局實(shí)行精確控制；系統的動(dòng)態(tài)響應速度非?？?；電動(dòng)機的加速特性很好。FOC控制結構簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2.2 控制方案

控制系統總體結構如圖2所示，主要由DSP基本模塊、CPLD換相模塊、位置傳感器模塊、電流檢測裝置、IGBT驅動(dòng)電路、鍵盤(pán)及顯示電路組成。

3 系統主要模塊設計

3.1 DSP主控模塊

電機控制專(zhuān)用定點(diǎn)器件TMS320LF2407的特點(diǎn)是：采用雙總線(xiàn)的哈佛結構；四級流水操作；專(zhuān)用的硬件乘法器；內部32 KB的Flash程序存儲器、高達1.5 KB的數據／程序RAM、544 KB雙口RAM和2KB單口RAM。兩個(gè)時(shí)間管理器模塊EVA和EVB，均包括兩個(gè)16位通用定時(shí)器和8個(gè)16位脈寬調制（PWM）通道。它們能夠實(shí)現：三相反相器控制；PWM的對稱(chēng)和非對稱(chēng)波形；當外部引腳PDPINTx為低電平時(shí)，快速關(guān)閉PWM通道；可編程的PWM死區控制可防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖；3個(gè)捕獲單元；片內光電編碼接口電路；16通道A／D轉換器。這些資源為電機控制提供了極大便利。

本系統DSP主要用來(lái)生成PWM波，DSP通過(guò)速度環(huán)與電流環(huán)調節PWM的占空比實(shí)現對轉速的控制。指定轉速通過(guò)鍵盤(pán)模塊輸入，鍵盤(pán)輸入模塊和顯示電路通過(guò)雙口RAM與DSP實(shí)現數據的交換。鍵盤(pán)無(wú)輸入時(shí)，DSP不斷向雙口RAM寫(xiě)入數據，顯示電路從雙口RAM讀出數據并顯示出來(lái)；鍵盤(pán)有輸人時(shí)，先發(fā)信號給DSP，DSP停止向雙口RAM寫(xiě)入數據，待鍵盤(pán)數據輸入后，再發(fā)中斷信號給DSP，DSP從雙口RAM讀入指定的轉速。

電機的速度檢測通過(guò)對CPLD送至DSP的CAP／QEP單元的信號的上下沿的檢測來(lái)實(shí)現，由于電機兩相間的位置固定，根據兩次脈沖的時(shí)間差，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計算即可得到電機的速度。DSP將輸入的指定轉速與測得的反饋轉速相減，根據偏差的大小采用一定的控制算法可實(shí)現電機速度環(huán)的控制。速度環(huán)的輸出為給定電流。電機的繞組電流由電流檢測模塊送至DSP的。A／D轉換器，根據給定電流與檢測電流的差值同樣采用PI控制算法即可實(shí)現對PWM占空比的調整，從而最終實(shí)現對轉速的控制。

3.2 CPLD換相模塊

CPLD采用Altera公司的MAX系列可編程邏輯器件EPM7256E。該器件基于電擦除EEPROM，可重復編程100次以上，具有較多的輸入／輸出引腳，基本滿(mǎn)足多相電機換相控制的需要。開(kāi)發(fā)工具為MAX PLUSII軟件，可采用原理圖設計、波形輸入設計和文本輸入設計，能根據指定的引腳配置自動(dòng)生成熔絲文件，可采用JTAG方式對CPLD器件下載編程。

使用MAX PLUSII構建所需要的邏輯結構圖，自動(dòng)生成熔絲文件后對CPLD器件下載編程。CPLD器件的輸入為位置傳感器提供的位置信號、DSP給出的PWM脈寬調制信號和確定電機旋轉方向的信號，器件的輸出為各個(gè)IGBT驅動(dòng)模塊的控制信號。采用CPLD進(jìn)行換相，CPLD的復位引腳單獨接一復位開(kāi)關(guān)，當DSP復位時(shí)，并不影響CPLD進(jìn)行換相，使得換相非?？煽?，能始終保持電機運行在正確的相序，增強了系統的抗干擾能力。另外，將電機的換相信號通過(guò)CPLD的一個(gè)輸出引腳送至DSP的一個(gè)CAP／OEP單元，電機換相時(shí)，此信號的高低電平將發(fā)生變化，DSP的CAP／OEP單元通過(guò)檢測電平上下沿的變化來(lái)計算轉速。位置的檢測采用光電編碼器，CPLD換相模塊根據光電編碼器的輸出信號即可判斷轉子的位置和轉子的轉速。

3.3 IGBT驅動(dòng)模塊

電機電樞繞組的連接采用H橋形，功率開(kāi)關(guān)采用IGBT，主電路的結構如圖3所示。IGBT的驅動(dòng)采用日本富士通公司為其3 000 A／1 200 V快速型IBGT產(chǎn)品配套的專(zhuān)用驅動(dòng)模塊EXB841來(lái)實(shí)現。整個(gè)電路信號延遲時(shí)間不超過(guò)1μs，最高頻率可達50kHz，并具有過(guò)流及慢速關(guān)斷功能。當發(fā)生過(guò)流時(shí)，電路將低電平信號送至DSP的PDPINT保護引腳，從而封鎖PWM脈沖的輸出，避免系統發(fā)生大的故障。

3.4 電流檢測

當逆變器驅動(dòng)一個(gè)三相電動(dòng)機負載時(shí)?？梢詼y量三相定子電流Ia、Ib和Ic。三相繞組采用星形連接，只要知道其中兩相電流Ia、Ib，另一個(gè)變量Ic就可以根據公式Ia+Ib+Ic=0算出。

電流檢測采用兩個(gè)線(xiàn)性電阻對其中兩相電流進(jìn)行采樣，采樣電阻上的分壓被運放到0 V～+3.3V，然后信號被送到DSP的ADC模塊，在每個(gè)PWM周期都被轉換成數字量。由于選定的電阻是精確的，因此可以得到電流的精確采樣值。

4 在水處理過(guò)程控制中的應用

將所設計的控制系統應用于水處理過(guò)程控制中進(jìn)行測試，控制系統的速度環(huán)和電流采用常規的PID控制，將控制器通過(guò)IGBT模塊直接驅動(dòng)電機，該電機為三相交流異步電機（380 V，30 KW），定子線(xiàn)圈采用星形接法，使用TDS340A（100 MHz）示波器。

啟動(dòng)交流電動(dòng)機，測得帶負載的電流波形如圖4所示?？梢钥闯?，控制板輸出了可調制的較好的PWM信號，電機相電流基本按正弦波形變化，波動(dòng)較小，體現了良好的動(dòng)態(tài)性能。電動(dòng)機在實(shí)際運行過(guò)程中調速效果好，系統運行平穩。

5 結束語(yǔ)

基于DSP+CPLD的交流電動(dòng)機控制系統充分利用了DSP的強大運算能力，能夠采用復雜的控制算法對電機進(jìn)行控制，同時(shí)內部集成了諸多功能，配合可編程器件可以使系統的外圍邏輯電路大大簡(jiǎn)化，實(shí)現了水處理系統的控制。