异步电动机调速控制系统设计

    景军锋¹，康雪娟²

(1西安工程大学，陕西西安710048；2．西安航空技术高等专科学校，陕西西安710077)

    摘要：运用正弦脉宽调制(SPWM)技术，以数字信号处理器(DSP)芯片TMS320LF2407为核心，辅以智能功率模块IPM和其它外部器件，设计了一种通用异步电动机变频调速系统。详细介绍了系统的硬件设计，给出了硬件的设计方案。软件控制程序主要由主程序和SPWM中断服务程序组成。实验结果表明：该实验装置结构简单，控制精度高，输出电流谐波失真小，有较强的实时性。

    关键词：TMS320LF2407A；IPM；交流异步电机；SPWM

    中图分类号：TM343  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2010)01-0057-04

0引言   

  PWM技术通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的^[1]。PWM控制技术分成四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM法(SPWM)、磁链跟踪PWM法(SVPWM)和电流跟踪PWM法等。集成SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著等突出优点以及先进的IGBT技术而得到广泛应用。

    现代PWM生成电路大多采用具有高速输出口HSO的单片机及数字信号处理器(DSP)，通过软件编程生成PWM。而德州仪器的TMS320LF2407控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，具有处理性能更快(30 MIPS)、外设集成度更高、程序存储更大、A／D转换速度更快等特点，对电机的数字化控制较为适用^[2]。本文介绍了系统总体设计方案，用TMS320LF2407A作为主控芯片，实现了异步电动机变频调速系统。实验结果表明，该控制

系统具有硬件电路简单、软件编制容易、控制精度和可靠性高、实时性强等优点。

1系统总体硬件设计

   整个系统硬件电路由控制电路、功率电路以及操作面板三部分组成。系统的硬件功能框图如图1所示。

1.1控制电路

    控制电路以TI公司的电动机控制专用芯片TMS320LF2407A DSP芯片为核心，配以少量的74系列芯片和可编程逻辑器件。其主要作用是产生SPWM信号，该信号经34针的排线送至功率电路，用来驱动三相逆变器。两个霍尔电流传感器检测交流异步电动机相电流的瞬时值，送人到DSP的AZD转换模块，光电脉冲编码器(每转输出200个脉冲)检测交流异步电动机的旋转角位移以及转子速度信号，经光耦隔离后接人DSP的捕获单元，采用编码

器的目的是检测到异步电动机驱动的负载位置信息，由此可以对负载位置的进行控制。为了调试软件的方便，还使用了具有上电、手动复位及电源电压监控功能的复位芯片MAX825S。其电源部分由Dc—Dc电源模块24 V转5 V以及Ac—Dc电源模块220 V转±15 V组成，其中5 V电源除了给板子上的5 V芯片和光电编码器信号隔离光耦的输出侧供电外，还经电源芯片TPS76833降匪后给整个板子提供3．3 V的电源。

1．2功率电路

    功率电路的主要作用是在PwM信号的控制下对300 V直流输入电压进行逆变，逆变后的交流电压用来驱动交流异步电动机。三相逆变器选用了日本三菱公司生产的第五代智能功率模块PS21865。PS21865最突出的特点是P侧的三只IGBT晶体管使用自举电路作为各自的驱动电源，从而可以只用一个15 V电源作为P侧的三只IGBT晶体管的控制电源。由于该15 V电源与P侧的三只TGBT晶体管的发射极互相隔离，因而也可作为N侧的三只IGBT晶体管的控制电源^[3-4]。整个功率电路只需一个控制电源，与以前需要四个隔离电源的智能功率模块相比，功率电路的结构简化，体积也减小，可靠性比以前有所提高。

    在变频调速控制系统故障保护环节中，设置了主回路过压、欠压、过热、过载、制动异常、光电编码器反馈断线等保护，故障信号由软硬件配合检测，一旦出现保护信号，通过软件或硬件逻辑立即封锁PwM驱动信号。

1．3电流检测电路

    电流检测模块是把三相定子电流转换成相应的二进制代码，以方便处理。系统采用莱姆公司生产的LEM霍尔电流传感器模块LA25-NP来检测电流。LA25-NP是多量程的霍尔电流传感器^[5].本文所用电机的额定电流为5 A，因而电流挡选用25A，LA25-NP后端采样电阻为100Ω。采样电阻可以由