基于DSP的三电平逆变器异步电机直接转矩控制系统的设计

摘 要：本文介绍了基于DSP的三电平逆变器异步电机直接转矩控制系统的设计。以TMS320LF2407芯片为核心控制器件，构建了三电平逆变器异步电机直接转矩控制系统的硬件电路，并进行了控制系统的软件设计。
关键词：三电平逆变器；直接转矩控制； DSP
引言
对基于三电平逆变器的异步电机直接转矩控制，由于空间电压矢量较之两电平增加很多，而且不但要解决逆变器本身结构特点而带来的中点电压不平衡问题，同时还需要兼顾直接转矩系统磁链和转矩两个控制目标的相对独立和解耦，从而使得空间电压矢量的选择变得很复杂，计算量也大为增加。针对这些问题，本文以DSP为核心设计了三电平逆变器异步电机直接转矩控制系统，可对异步电机直接转矩系统进行有效的控制。

图1 三电平逆变器直接转矩控制系统的整体结构图

图2 脉冲互锁电路图

图3 电平转换电路

图4 短路保护电路

图5 中断服务子程序流程图
控制系统的硬件设计
图1为三电平逆变器直接转矩控制系统的整体结构图。系统的硬件电路由主电路、驱动电路、信号互锁电路、检测电路、电平转换电路、保护电路、脉冲分配电路和TMS320LF2407开发板等几部分组成，本文着重介绍其中的信号互锁电路、检测电路、电平转换电路、保护电路和TMS320LF2407开发板。
信号互锁电路的设计
信号互锁保护电路是为了防止互补桥臂上下晶体管的直通。因为在异常情况下，本应该互补的驱动信号有可能同时为高电平，引起互补桥臂中上下晶体管的直通而损坏功率管。为了防止这种情况的发生，在PWM脉冲输出电路中设计了信号互锁保护电路，如图2所示。本电路中采用了74HC00，该芯片内含四个独立的与非门。这主是考虑到对一相而言，1管和3管的驱动信号互补，2管和4管的驱动信号互补，所以必须对1管和3管的驱动信号、2管和4管的驱动信号分别进行互锁。
检测电路的设计
因为直接转矩控制系统的磁链模型里，需要电动机定子的三相电压和电流，因此需要检测这两个参数。由于从逆变器输出的线电压信号是由一系列不等的等幅脉冲构成，而如果用普通的电压传感器，它的反应时间远较电流传感器长，达20~100s，因此电压信号经过传感器后畸变较大，从而控制效果也会较差。因此本系统采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器来测量。选用了莱姆公司生产的LEM电流、电压传感器。
LEM电流、电压传感器可以测量直流、交流和脉冲波形的电流和电压。在原边电路和副边电路之间有很高的绝缘强度，这样可以有效地保护副边的测量设备和人身安全。而且还具有准确、快速性能，其反应时间可在1s以下。
本系统中检测电压所采用的电压传感器的型号为LV28-P，原边额定有效值电流为10mA，副边额定有效值电流为25mA，响应时间为40s，采用±15V电源供电，精度为±0.6%，原边电流测量范围为0~±14mA。
检测电流所采用的电流传感器型号为LA28-NP，原边额定有效值电流为25A，副边额定有效值电流为25mA，响应时间为1s，采用±15V电源供电，精度为±0.5%，原边电流测量范围为0~±36A。
电平转换电路的设计
TM320LF2407中的A/D转换通道只能接受0~+3.3V范围内的模拟信号，所以从LEM传感器输出的反馈电压值在输入到DSP之前必须调整到0~+3.3V之间。本系统的电平转换电路如图3所示，将LEM传感器输出的电压值进行了三级调整。第一级是将传感器输出的正弦电压信号缩放成为-2.5V~+2.5V的正弦信号；第二级是将-2.5V~+2.5V的正弦信号上抬2.5V，转换成0~+5V的信号；第三级是通过运算放大器进行运算放大，得到DSP所允许的0~+3.3V的电压。电路中采用的运算放大器为LM258，采用±15V电源供电。
保护电路的设计
本系统中短路保护电路使用的比较器是LM139，该芯片内含有两个独立的电压比较器，采用±15V电源供电。因为采样进来的电压信号是交流正弦信号，所以必须对采样信号的正半周和负半周分别进行保护 。如图4所示，在LM139的5脚和6脚分别设置了正半周保护翻转信号V+和负半周保护翻转信号V-。
当采样进来的电压值大于V+时，比较器U12A的输出翻转为低电平进行保护；当采样进来的电压值小于V-时，比较器U12B的输出翻转为低电平进行保护。两路比较器的输出进行线与(即输出直接连接起来，只要有一路输出为低，总输出就为低)，合成总的短路保护信号。当采样进来的电压值处于V+和V-(即电路正常工作)时，比较器的总输出始终为高电平。
上述的短路保护和IGBT驱动保护的输出全部连接到CPLD中，在CPLD中进行与运算，其输出引脚连接到DSP的引脚。这样，只要其中有一路输出为低电平(即电路出现故障)，则引脚输入为低电平，该中断有效，进而将PWM输出引脚置为高阻态。
控制系统的软件设计
软件流程
TMS320LF2407的软件采用C2000汇编语言和C语言、在汉化中文CCS集成开发环境下编写。TMS320LF2407通过事件管理器启动A/D转换，获得电流、电压信号，实现对磁通、转矩的控制。整个软件包括三个部分：初始化、故障诊断、GP TIMERl中断服务程序。其中，初始化模块主要完成电机参数的给定、变量赋初值、定时器时间的设定、定时器服务子程序地址的设定等。
中断服务程序是软件设计的核心，它完成几乎所有的控制算法，如A/D转换检测、3/2变换、磁通和转矩的计算、角度的获得、电压矢量选择、作用时间和死区时间的计算与设定、PWM的发生等，这个过程在一个采样周期(100s)内完成。中断服务子程序流程图如图5所示。　　　　　　　
系统软件设计中的几个关键问题
电机参数估算并标幺化
在直接转矩控制系统中，各物理量的数值范围是不同的，而DSP的字长是一定的。为了保证计算的准确、高精度，在软件设计中，采用了电机的标幺值模型。
本设计所采用的电机参数归一化如下：
①选定电机以及系统的一些典型参数作为参照量；
②将同类物理量与之比较，产生标幺值；
③由于TMS320LF2407是16位定点DSP，为了给典型值以足够大的量化空间，同时考虑到每个物理量可能达到的最大值，因此采用Q12格式，这样可以保证在电机静态和动态时，程序都可以正确处理各个量。
A/D转换
TMS320LF2407内部集成了2个10位ADC，每个ADC通过多路开关和8个通道连接，在同一时刻可进行两路数据的采集。LEM传感器输出的电压信号经调理后转换为[0,+3.3V]的电压信号，输入到ADC的输入通道。
在运算时，电流的测量值应转化为标幺值形式并用Q12格式表示。设Imax代表最大的测量电流，经A/D转换后表示为1024(210)。为了与实际值相对应，将经A/D转换后的数值减去512，这样实际测量电流[-Imax，+Imax]表示为[-512，+512]。由于电流的标幺值定义为测量电流和基值电流的比值，Imax的转换值为512，因此在将电流的测量值转换成Q12格式的标幺值模式时，应乘以系数：

Imax的确定应根据实际系统，并应考虑到电机启动等特殊情况。
速度检测
在以光电编码器构成的测速系统中，常用的测速方法有三种，分别为T法、M/T法和M法。T法是通过编码器两个相邻脉冲的时间间隔来确定转速的，适合速度比较低的场合。M法是利用一段固定的时间间隔内的编码脉冲数来确定转速。其性能特点正好与T法相反，比较适于高速场合。而M/T法则是前两种方法的结合，从而使得在整个速度范围内都有较好的准确性。
在本系统中，由于电机的转速很高，故采用M法测量转速，定时器T2作为QEP的计数器，码盘每转一周输出4096个脉冲。因为电机转速在一个系统的采样周期内变化很小，在STEP=10个采样周期进行一次转速测量可以满足要求。设在一个转速测量周期内，码盘输出脉冲数为M，则电机转速为：

其中， T为采样周期。

结语
本文根据三电平逆变器和直接转矩控制系统的特点，以TI公司的面向电机数字控制领域的数字信号处理器TMS320LF2407为核心控制器件构建了一个实际的控制系统，经实际验证，性能良好，在电机应用中有着广泛的前景。