基于TMS320LF2407A芯片的SRM过流过压保护

聂平由

（湖南工业职业技术学院，湖南 长沙，410208）

前言

电机作为一种机械能与电能的能量转换设备，在工业化的各个领域中都起到了非常重要的作用，开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，即SRM)作为一种新型的调速设备，具有结构简单、控制灵活、可靠性高、控制精度高等优点。随着电力电子技术与仿真技术的高速发展，DSP与ARM高性能微处理器得以广泛应用，形成了SRM应用的新平台，很大程度上推动了开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Diver，即SRD)的应用，使之发展成当今电机领域的热门课题，并广泛应用于军事、商业和工业设备中。与此同时，尤为迫切的问题也凸显出来，那就是关于开关磁阻电机的保护，本文采用了基于TMS320LF2407A芯片的DSP控制技术，主要研究了SRM过电流与过电压的监测与保护。

1 TMS320LF2407A芯片概述

在设计SRM的控制器时，本文选择了芯片TMS320F2407A作为控制中心。该芯片是美国TI公司生产的的微处理器，它融合了DSP的高速运算能力和高效控制能力，使数字控制技术发挥到很高的水平，实现了高可靠性与优良控制性能。该芯片结构简单、性能高，广泛应用于电机的数字控制、工业自动化、电力系统的信号转换等，处理能力达到40MIPS，远胜于传统的8位微控制器和16位微处理器的性能。

TMS320LF2407A的主要特点如下[1-2]：

（1）、采用高性能静态CMOS技术，使其供电电压低至3.3V，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使指令周期缩短到25ns(40MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。

（2）、片内有高达32k的FLASH程序存储器，高达1.5k的数据/程序RAM,544的双口RAM(DARAM)和2k的单口RAM(SARAM)。

（3）、两个事件管理器模块EVA和EVB，它们都有：两个16位通用定时器与八个16位的脉宽调制(PWM)信道（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；16通道A/D转换器。

（4）、可扩展的外部存储器高达192K空间：64K的程序存储器空间；64K的数据存储器空间；64K的I/O寻址空间。

（5）、看门狗定时器模块(WDT)。

（6）、10位A/D转换器（最小转换时间为500ns），可由两个事件管理器来触发两个8通道输入的A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。

（7）、控制器局域网络（CAN）2.0模块。

（8）、串行通信接口（SCI）模块。

（9）、16位的串行外设（SPI）接口模块。

（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）、5个外部中断(两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。

（13）、电源管理包括3种低功耗模式，能独立将外设器件转入低功耗工作模式。

TI公司的TPS73xx系列是TI公司为配合DSP而制作的电源转换芯片，接口电路简单，只需接上必要的外围电阻，即可实现电源转换。TPS7333是一种固定输出3.3V电压的电源转换芯片，其中是欠压低电平输出端，采用漏极开路的工作方式。当负载突变或其它故障导致OUT的输出出现欠压时，则输出低电平，并保持200ms。当OUT的输出恢复正常时，在200ms后，则恢复输出高电平。电路如图1所示：

图1 DSP 电源及复位电路

TMS320DSP芯片引脚是复位信号输入端，当该引脚为低电平时，则芯片复位。为保证芯片的正常初始化，一般需保持引脚至少持续3个CLKOUT周期的低电平。为了避开振荡器起振时的非线性特性对整个系统的影响，复位电路维持低电平的时间必须大于系统晶体振荡器的起振时间。一般地，晶振需要100-200ms的稳定时间，因此上电复位时间应大于200ms。对于复位电路来说，首先应确保复位低电平时间足够长，使DSP实现可靠性复位；然后应确保有良好的稳定性，避免DSP出现误复位。

为了实现控制的灵活性，本控制器采用了上电复位电路和人工复位电路，当系统运行出现故障时可灵活地实现人工复位。图1中，出现掉电时，二极管D1为电容提供放电途径，使电容快速放电完毕，即可确保在反复上电时实现可靠性复位。另外，斯密特触发反相器进行整形处理，提高了系统的抗干扰性，并确保低电平的维持时间。

3、绕组电流检测电路

本控制器采用在主回路串接一个0.025Ω/5W的水泥电阻来检测绕组的电流，并通过信号处理送入DSP芯片进行A/D转换。绕组电流检测电路如图2所示：

图2 电流检测电路

4、过流检测与保护

磁阻电机出现过电流现象的原因如下[3]：

（1）负载的冲击，或者堵转现象的突然产生，导致电机的电流突然增加而出现过电流；

（2）系统的输出部分出现短路，比如输出端到电机之间的连线出现短路，或者电机内部线圈出现短路等，导致电机出现过电流；

（3）电机在加速运行时，当拖动负载的机械惯性较大，而加速时间却设定过小时，会产生过电流；

（4）电机在减速运行时，当拖动负载的机械惯性较大，而减速时间却设定过小时，也会产生过电流。

为了避免磁阻电机出现过电流而受损，本控制器采用了过流保护电路，大大地提高系统的可靠性。

本控制器采用比较器LM741实现过流检测。LM741的同相输入端为电流检测电路的输出电平，反相输入端为电流的限幅值。过流保护电路如图3所示：

图3 过流保护电路

正常工作时，LM741的同相输入端的电平低于反相输入端的电平，LM741输出为OV,当电流超过设定的保护值时，LM741的同相输入端的电平高于反相输入端的电平，LM741输出约为12.5V，经稳压管IN4733稳压为3.3V,与过压保护电路输出经或非处理，进入DSP的功率保护输入引脚PDPNITA，以便作出相应的处理，实现实时的过流保护。

5、过压检测与保护

磁阻电机出现过电压现象的原因如下：

（1）电源过电压。电源电压的上限，一般不会超过给定输入的10%,可是由于电网波动，有时会出现电源电压过高的现象，这使整流后的直流电压跟随上升，导致电机出现过电压；

（2）再生制动过电压。当负载机械惯性较大，而系统设定的频率下降却较快，在再生制动时，其回馈能量通过制动电阻和制动单元的突然释放，从而导致直流电路的过电压；

（3）脉冲过电压。由于电路中存在线圈电感和线路分布电感，在每个脉冲的上升和下降过程中，会产生较大的脉冲过电压。

过压保护电路跟过流保护电路相似，如图4所示：

图4 过压保护电路

结 语

从以上的介绍中可以看到，本文主要探讨了磁阻电机的过流与过压保护。在设计其控制器时，选用了美国TI公司的TMS320F2407A芯片，并且采用了DSP的先进性控制技术，实现了SRM过电流与过电压的有效检测与保护。

[1] 刘和平等.TMS320LF240x DSPC语言开发应用[M] .北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[2] 张毅刚等.TMS320LF240x系列DSP原理、开发与应用[M] .哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006.

[3] 王晓明,王玲.电动机的DSP控制-TI公司DSP应用[M] .北京:北京航空航天大学出版社,2004.