基于DSP的交流励磁电源设计

孙小虎，杨润生，岳夕彪，葛庆庆，安巧静

(军械工程学院，河北石家庄050003)

0引 言

交流励磁发电机也叫异步化同步电机，采用转子绕组交流励磁，有着变速范围广和过载能力强的优点［1］。交流励磁发电机励磁控制系统为一多输入、多输出的非线性控制系统，运算量大、实时要求高［2］。DSP芯片主要应用于实时、快速地实现各种数字信号处理算法。DSP芯片的价格越来越低，性价比越来越高，具有巨大的应用潜力。

TMS320F2812采用哈佛式结构、专用的乘法器、6级流水线深度、动态锁相环、精简指令集等技术，非常适合于电机实时控制［3］。除此之外TMS320F2812还有内置存储器;外围设备丰富;可混合编程;支持JTAG仿真调试;快速中断处理和硬件支持;单周期操作的硬件地址产生器等一系列优点。特别是两个事件管理器EVA、EVB中的 PWM发生器、通用定时器、捕捉等功能，为交流励磁发电机控制提供了很大的便利。这样交流励磁发电机的信号的测量、滤波、励磁参数的实时计算及PWM波驱动信号的产生都可由DSP芯片完成。DSP励磁控制系统具有以下优势:数字滤波、数字处理，系统抗干扰能力强;调节准确、精度高，在线改变参数方便;高性能低功耗;CPU定时器0可作为独立的、全局性的定时中断控制;判断和逻辑运算能力强，实现完备的限制及保护功能。

本文利用了TMS320F2812的上述特点，着重介绍了DSP最小系统及相关外设设计;DSP励磁主程序和中断程序设计;PWM驱动信号实时输出。针对直流母线电压在负载变化时易出现波动的特点，在MATLAB环境下对直流母线电压进行了仿真实验。研究证明该励磁电源能跟随负载变化直流母线电压稳定可靠。在此基础上进行了PWM驱动信号波形的实验。实验证明利用TMS320F2812控制芯片设计的励磁控制系统PWM波驱动信号边沿陡峭、逻辑正确、死区延时明显，具有良好的输出特性。

1基于DSP励磁系统总体方案

交流励磁发电励磁系统通过采样电路实时监控机端三相电压和三相电流，转子励磁电压和转子转速。信号调理电路将信号衰减隔离后，经过A/D转换和电压匹配，变成适合 DSP处理的数字信号［4-5］。将处理后的信号输入到DSP中，经坐标量变换及数字滤波获得同步坐标系下发电机的机端电压、定子电流、有功功率和无功功率，与系统参考输入量做差比较送入PI调节器中，求出PWM波占空比及载波周期。通过输出PWM波驱动信号来控制励磁回路中IPM的导通和关断。图1为基于TMS320F2812励磁系统硬件框图。根据设计需求，系统主要包括下述几个部分:(1)DSP最小系统;(2)开关量输入输出电路;(3)A/D采样电路;(4)光电码盘测速脉冲整形电路;(5)过励保护闭锁电路;(6)上位机通信电路。

图1 基于TMS320F2812的励磁系统硬件框图

TMS320F2812通过I/O接口对测量数据进行处理，完成励磁程序计算，向PWM控制器发出各种控制信号。外围设备除了检测元件和执行机构，还包括各种操作、显示以及通信设备［6］。因而在系统设计时，要合理进行软硬件的分工，以达到系统最优［7］。

2基于DSP的硬件电路设计

DSP最小系统是指能使DSP内核正常运行调试的最简硬件设计，包括DSP芯片本体、电源、复位电路、JTAG接口、调试用外扩RAM设计等。本控制器中的DSP最小系统均按照TI官方推荐的电路进行设计。

电源管理芯片选用TI的TPS7333Q，它不仅能够提供+3．3 V、500 mA的电源供给DSP及其它低电压外设使用，通过第8脚(/RS)还能在上电的同时输出一个宽度为200 ms的低脉冲的对DSP进行上电复位［8］。

为开发方便起见，缩短程序开发周期，在片外扩展一个写入时间快的SRAM。仿真调试时，用CCS的Load命令把程序下载到片外程序空间的SRAM内，从片外程序空间地址0000h开始。考虑到速度要和DSP相匹配的问题，选用了一款CYPRESS公司的SRAM-CY7C1021CV33-12ZC。

本文选用LCD模块显示电路用于显示发电机输出的电能参数。LCD1620是一种专门用于显示字母、数字和符号的点阵式液晶显示模块。该型号可方便地显示16个5×7或5×10的点阵组成的字符图形两行字符。DSP与LCD1620之间的具体接口电路如图2所示。

使用电平转换芯片74LVC4245完成由DSP的3．3 V电平到LCD1620的5 V电平的转换，DSP的IOPC0～IOPC7引脚用作数据接口;IOPF1与RS相连，决定是数据(RS=0)还是命令(RS=1);IOPF2读操作时，高电平有效与R/W脚相连，决定是写入(R/W=1)还是读出，写操作时，给该引脚输入一个下降沿完成数据传输;IOPF0与电平转换芯片的DIR端相连，决定电平的转换方向。

图2 DSP与LCD1620的接口电路

图3 按键扫描电路

按键电路用于选择需要显示运行参数和对励磁参数进行在线修正。本设计采用非编码独立式键盘，按键电路如图3所示。利用DSP的IOPE0～IOPE5作为电压检测端口，DSP扫描主程序分析6个按键上拉电阻的的电压可以确定按键是否接通。

为了简化电路的设计难度和增加励磁装置的可靠性，为以后升级换代留下方便的接口，选用三菱公司的新型智能IPM模块PM100CSA060IPM，模块内置六只独立的IGBT，三相桥接线方式。如此设计可以省去门极驱动电路，短路保护、过流保护、过热保护、驱动电源欠电压保护设计。还可通过IPM向外输出故障信号，DSP检测到故障信号便封锁所有PWM驱动脉冲，达到保护整个系统的目的。

IPM自身拥有电源欠压、过温、过流、短路等多种保护功能，但在实际系统工作中这些并不足以保证系统的安全运行。所以附加保护电路是必须的，本系统额外设计了IPM防直通电路，如图4所示。根据数字电路中异或运算关系，相同为零相异为一，将同一桥臂上PWM信号先经过异或门，保证二者相异再输到IPM外部驱动电路输入端，可从电路上实现防止互通。

图4 IPM防直通电路

3 DSP励磁系统软件设计

合理有效地设计DSP励磁软件，可提高系统的控制精度和节约系统资源减少复用引脚的使用。系统采用模块化设计理念，尽量减小程序的耦合度，使软件结构清晰、便于调试。使用TI公司为TMS320系列DSP开发软件的专用CCS环境。CCS采用图形化接口界面，工具窗口齐全，功能强大是DSP程序开发的首选工具［7］。

系统软件设计过程中，结合芯片的结构特点，将整个交流励磁系统的软件划分为主程序和中断服务子程序两部分。主程序部分主要完成系统初始化、功能模块、占空比初始化，变量的定义以及按键显示程序的运行;中断服务程序包括PWM波产生中断、频率测量中断、AD采样中断、故障保护中断等。

系统结构采用典型的前、后台模式，以中断服务程序为前台任务，主程序作为后台任务。通过对前、后台任务的及时切换以及对前台任务进行优先级排序达到及时响应系统的测量、控制、显示等一系列任务，把耗费系统资源的程序放在中断程序中可明显提高系统运行效率。

系统主程序框图如图5所示。

主程序中定义和初始化了一些CPU内部寄存器和运算时要用到的变量和常数，利用通用定时器、全比较单元、死区控制单元设置一个初始PWM值调制发电机的励磁电流，采用这种方式可以大大减少发电机的电压上升时间。屏蔽所有的中断，然后封锁变频器两侧，这时DSP开启通讯中断，同时主程序进入一个无限循环。通过设置一系列标志位可实现中断程序与主循环程序的交互处理。

将TMS320F2812的MP/MC引脚置1工作在“处理器”模式，可对片外RAM的引导程序程序方便的进行在线调试。

图5 系统主程序流程图

4直流母线电压实验研究

本文设计的励磁电源为交直交的电路结构，保持直流母线电压的稳定对提高变频器输出稳定性极为重要。利用大电容器可对直流母线电压进行补偿。笔者在MATLAB/Simulink环境下对直流母线电压进行仿真，仿真结果如图6、图7所示。

从仿真结果看，未并联电容器之前，当突加负载时，输出电压会有一个瞬时跌落，之后才逐渐进入稳态;而并联电容器后，当超级电容器的电容值足够大时，突增负载后，在电压跌落的过程中，几乎不出现电压低于增加负载后的稳态电压的现象。

5 PWM波驱动信号实验

利用74HC14对DSP输出的PWM波信号进行驱动放大，把放大后的信号送到高速光耦6N137，最后利用IR公司的IR2130驱动芯片对IPM进行控制励磁输出。图8为IR2130的HIN1、LIN1管脚输出的相位差120°的驱动波形。从图中可以看出，驱动信号边沿陡峭，逻辑正确，死区延时明显，波形畸变率小，能保证对功率器件的正常驱动，验证了DSP控制交流励磁电源的正确性。

图8 PWM实测波形图

［1］ 杨顺昌，廖勇，李辉，等．异步化同步电机［M］．北京:科学出版社，2009．

［2］ 姚骏．交流励磁发电机及其励磁电源的控制策略研究［D］．重庆:重庆大学，2008．

［3］ 姜艳波．数字信号处理器DSP应用100例［M］．北京:化学工业出版社，2008．

［4］ 裴亚强，秦娟，胡仁杰．频率变化时交流采样算法分析［J］．电力自动化设备，2004，24(9):24-2

［5］ 周志宇，李裕能，郭松海．基于DSP的同步交流采样技术［J］．电力自动化设备，2006，26(5):57-60．

［6］ 毛迅．基于DSP的网络伺服控制器研究［D］．重庆:重庆大学，2008．

［7］ 姚鑫．基于DSP的开关式励磁调节器设计［D］．天津:河北工业大学，2007．

［8］ 尹勇，欧光军，关荣峰．DSP集成开发环境CCS开发指南［M］北京:北京航空航天出版社，2003．

［9］ 赵璐华．基于DSP和功率模块的电机伺服控制系统［J］．微计算机信息，2008，24(9):199-202．