基于dsp数字信号处理器无刷直流电动机调速系统的设计

基于dsp数字信号处理器无刷直流电动机调速系统的设计内容摘要：

测与保护电路 对于两相导通三相六状态无刷直流机，在任意时刻，只有两相绕组通电，电流从一相绕组流入，再从一相绕组流出，电流大小与直流侧电流大小相等。 这样，只需要在直流 侧接入一个采样电阻就可以检测导通相的电流。 RR4R1R3R2R5R6C1C1GND GND542312U 1 1 AV C CGNDU 1 2I过电流信号 图 28 电流检测与保护电路原理 The diagram of current detection and protection circuit 如图 28 示，电流信号通过检测采样电阻 R 两端的电压得到。 电流检测信号一方面作为 DSP 的过流保护信号，接至 DSP 的 PDPINTA 引脚；另一方面作为电流环的反馈信号，输入到 DSP 的 ADCIN00 引脚。 过流检测是为了防止电机过载、起动或异常运行时由于电流过大而对控制电路、功率逆变器和电动机本体的损害而设计的。 在直流侧串联一个采样电阻，通过将采样电阻两端电压进行比较来确定主电路电流是否过流，过流信号送至 DSP 的中断引脚，封锁功率开关的驱动信号。 如图 28 所示，其中电容 C1和 C2的作用是滤去采样电阻两端电压的高频干扰信号，防止过电流误动作。 采样电阻应根据最大允许电流的限值来选取，其阻值以端电压为。 由于 TMS320LF2407A 的 A/D转换单元输入信号的电压范围为 0～ ，而电流采样信号比较小，所以需要进行放大。 同时为了保护 DSP 不因过流信号而损坏，还应该对电流信号 进行隔离。 具体的放大电路可参照端电压检测电路。 故障处理和保护电路 故障处理电路 为保证系统中功率电路安全可靠地工作， DSP 控制器提供了功率驱动保护中断PDPINTA。 当器件功率保护输入引脚 PDPINTA 被置为低电平时， DSP 内部定时器立即停止计数，所有 PWM 输出管脚全部呈现高祖态。 利用它可方便地实现系统的各种保护功能。 故障处理电路原理如图 29 所示，过电压、欠电压、过电流的各种故障信号一方面输入或非门（如 CD4078），一方 面送入 DSP 进行判别。 当任一种故障发生时，或非门输出一个低电平信号，向 DSP 申请故障中断，封锁 PWM 输出，实现系统的保护功能 各种故障信号PDP INT A显示 LE DI/OTM S32 0LF 2407AI/O控制继电器+ 图 29 故障处理原理图 The diagram of schematic Troubleshooting 过欠电压保护电路 DSP 实时监测交流母线电压，当电网电压过低或过高时，关闭逆变器，使控制器不会损坏。 电机在起动过程中，如果出现了欠压的情况，电机将起动不了，会使电机出现堵转的现象，从而对系统造成损坏。 为了避免上述情况，我们设计了下面的电 路如图 210。 C12 2 0 u FR 3 21 0 K5KR 2 9R 3 31 0 KU 1 0P C 8 1 7U 1 1P C 8 1 7T1T R A N S 13 8 0 V A CV C C1 0 V A CD4IN 2 3 1 B / 5 VD3IN 2 3 1 B / 5 VQ29 0 1 3Q19 0 1 3L O W V O LO V E R V O LW42 0 KW32 0 KV C C1 42 3ACACV+VB1 图 210 过、欠电压保护原理图 The diagram of overvoltage,undervoltage protection schematic 过、欠压保护电路 [12]的输入电压 IN 必须能反映三相交流输入电源的变化，这样当三相交流电出现过压或者是欠压时，过、欠压保护电路的输入电压 IN 就会发生变化，输出端的信号 LOWVOL 和 OVERVOL 就会输出信号给控制电路进行处理。 如图 210 所示，系统采用信号变压器，原边为三相交流电压的某线电压，变 比为 380：10，通过桥式整流，将副边的交流信号转换成直流电。 按照在  10%的范围内作为正常来衡量，标定电位器 W3 和 W4,W3 标定欠压， W4 标定过压。 我们以比三相交流电正常供电电压 (380V)低 10%(即幅值 342V)为欠压的标准线，即三相交流输入电压低于 342V 时 (变压器副边电压低于 9V )为欠压，此时 INU 为。 以 INU = 为基准，标定 W3 使其中间抽头输出电压为 5V。 这样 在输入电压在 380V 10%内时， W3 使其中间抽头输出电压一定高于 5V,稳压二极管 D3 稳压使 Q1 的基极电压稳定为 5V, Q1 控制光耦 U10 的输入端导通，从而使 LOWVOL 输出“ 0”，而当输入幅值电压低于 342V时， W3 中间抽头输出电压一定低于 5V，三极管 Q1 不工作， LOWVOL 输出“ 1”。 同样的原理应用于过压上，以比三相交流电正常供电电压高 10%（即幅值 418V）时为过压的标准线，即三相交流输入电压高于 418V时（变压器副边电压高于 11V）为过压，此时 INU 为。 以 INU =基准，标定 W4 使其中间抽头输出电压为 5V。 这样在输入电压在 380V 10%内时， W4 中间抽头输出电压一定低于 5V，三极管 Q2 不工作， OVERVOL 输出“ 1”。 输入幅值电压高于 418V时， W4 中间抽头输出电压一定高于 5V，稳压二极管 D4 稳压使 Q2 的基极电压稳定为 5V,Q2 控制光耦 U11 的输入端导通，从而使 OVERVOL 输出“ 0”。 所以，通过以上的分析我们可以得到如表 21 的真值表。 表 22 过欠压信号真值表 Table of overvoltage,undervoltage signal truth table LOWVOL OVERVOL 正常 0 1 欠压 1 1 过压 0 0 可以看出， LOWVOL 信号只有在发生欠压时，为“ 1”，其它情况都为“ 0”。 而 OVERVOL信号只有在发生过压时，为“ 0”，其它情况都为“ 1”。 我们将 LOWVOL 取反后，通过故障保护电路送到 DSP 的引脚 PDPINTA。 同样将OVERVOL 信号送到 DSP 的引脚 PDPINTA ，就可以实现过、欠压保护功能。 电路原理图如图（ 210）所示。 1 2U 1 2 A7 4 L S 0 41 2U 1 2 A7 4 L S 0 41 2U 1 2 A7 4 L S 0 4R 3 41 0 KR 3 55KL O W V O LO V E R V O L过、欠电压信号V C CV C C 图 210 过、欠电压信号输出原理图 The diagram of overvoltage,undervoltage signal output schematic DSP 控制电路设计 TMS320LF240X 芯片为公司的 MS320C200 系列下的一种定点 DSP 芯片，特别适合于运动系统全数字化控制。 它具有低成本、低功耗、高性能的处理 能力。 它将几种外设集成到芯片内，形成了真正的单芯片控制器，具有运算速度在 30MPIS 以上、外设集成度高、程序存储量大（片内 FLASH）、 ADC 模块的转换速度快等特点。 同时，该类芯片具有强大的外部通信接口（ SCI、 SPI、 CAN）便于构成大的控制系统。 因此本系统选用 DSP 的型号为 TMS320LF2407A。 TMS320LF2407A 简介 TMS320LF2407A[15]是 TMS320C24x 系列中功能最高的一款 DSP，该芯片与同系列其它 DSP 相比，有如下一些特点： 1)采用高性能静态 CMOS 技术，供电电压为 ，减小控制器的功耗； 30MIPS 的执行速度使得指令周期缩短到 33ns，从而提高了控制器的实时控制能力。 2)片内高达 32K 字的 FLASH 程序存储器，高达 字的数据 /程序 RAM。 544 字双端口 RAM(DRRAM)和 2K 字的单口 RAM( SARAM )。 3)两个事件管理器模块 EVA 和 EVB，每个包括：两个 16 位通用定时器； 8 个 16 位的脉宽调制 (PWM)通道。 它们能够实现：三相反相控制； PWM 对称和非对称波形；当外部引脚 PDPINTx 出现低电平时快速关闭 PWM 通道；可编程的 PWM 死 区控制以防止上、下桥臂同时输出触发脉冲； 3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路； 6 通道 A/D 转换器。 事件管理器模块适用于控制交流感应电动机、无刷直流机、开保证关磁阻电机，步进电机、多极电机和逆变器。 4)可扩展的外部程序存储器，总共 192K 字； 64K 字程序存储器空间； 64K 字数据存储器空间； 64K 字 I/O 寻址空间。 5)看门狗定时器模块 (W 和 DT) ,保证程序运行的安全性。 6)16 通道 10 位 A/D 转换器，最小转换时间为 500ns，可选择两个事件管理器来触发的两个 8 通道输入 A/D 转换器或一个 16 位通道输入的 A/D 转换器。 7)控制器局域网 (CAN)模块。 8)串行通讯接口 (SCI)。 9)16 位的串行外设接口 (SPI)。 10)基于锁相环的时钟发生器。 11)高达 40 个可单独编程或复用的通用输入 /输出引脚 (GPIO)。 12)32 位累加器和 32 位中央算术逻辑单元（ CALU）； 16 位 *16 位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算； 5 个外部中断 (电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断 )。 13)电源管理包括 3 种低功耗模式，并且能独立将外设器件转为低功耗模式。 起停电路、 DSP 晶振及复位电路设计 [16] 1)起停电路的实现 起动、停止电路如图 315 所示 : R 6 8R 1 8S W 1S W 21 2A7 4 L S 0 4C CV C CR 1 7R 1 6S T O PS T A R T 图 211 起动、停止控制电路图 The diagram of start,stop control circuit 起动、停止电路都是最基本的 RC 充放电路。 控制电机起动，通过按按钮 SW2， START信号由高电平变为低电平，送 DSP 的 ADCIN04(I/O) 多功能口，通过程序将 ADCIN04（ I/O）口配置成 I/O 口，当 DSP 检测到 START 信号变低时，系统便开始电机起动程序。 而电机停机是通过 SW1 按钮控制， STOP 信号送 DSP 的 ADCIN04(I/O)口，当 SW1按下时， DSP 检测到高电平时，电机停转。 电阻 R17 和 R18 是为了防止在高电平到低电平的突变，起到续流的作用。 2)复位电路 系 统 的 复 位 电 路采 用 的 为 简单 实 用 的 上电 复 位 电 路， 电 源 刚 加上 时 ，TMS320LF240LF7A 处于复位状态， RS 为低电平使芯片复位。 为使芯片初始化正确一般应保证 RS 为低电平至少 3 个 CLKOUT 周期，即当时钟为 20MHz 时的 600ns。 但是，在上电后，系统的晶体振荡器往往需要几 百毫秒的稳定期，一般为 100ms～ 200ms。 R1 00 KC4 .7 FV C C1 2A7 4L S 0 41 2A7 4L S 0 4RS 图 212 复位电路 The diagram of reset circuit 系统采用图 212 电路的复位时间主要由 R 和 C 确定。 A 点电压     tCC eVV 1设V1=，则 :   CCVVRCt 11ln1 „„„„„„„„„„„„„„（ 27） 选择 R=100K ,C = F,可得 t1=167ms，随后的施密特触发器保证了低电平的持续时间至少为 167ms，从而满足系统复位要求。 实际应用中， DSP 的系统时钟频率较高，运行过程中极有可能会发生干扰和被干扰的现象，严重时系统会出现死机现象，所以，在以后的工作中，为了克服上述问题，硬件上必须做出相应的处理。 其中最有效的办法是采用具有监视 (Watchdog)功能的复位电路。 3)晶振电路 给 DSP 芯片提供时钟一般有两种方法，一种是利用 DSP 芯片内部提供的晶振电路，在 DSP 芯片的 X1 和 X2CLKIN 之间连接一晶体可起动内部晶体振荡器，这种方式的晶体应为基本模式，且为并联谐振。 第二种是将外部时钟源直接输入 X2CLKIN 引脚， X1 悬空。 采用封装好的晶体振荡器，这种方法使用方便，在实际应用中得到了广泛的应用。 在本系统中正是利用第二种方法提供给 DSP 芯片时钟信号源，电路图如图 213 所示 4 脚加 ， 2 脚接地，就可在三脚得到所需的时钟， 1 脚悬空。 系统中由于 DSP的时钟为 20 MHz，所以选择外部晶振为 20MHz。 对 TMS320。