基于数字信号处理器的压力闭环控制系统设计

2.1 系统结构

本系统以TI公司的数字信号处理器（DSP）TMS320LF2407为核心器件，它具有高性能的、丰富的外设接口，高达30MIPS的处理速度大大提高了控制器的实时处理能力。LF2407集成了32KB内存、一个CAN模块、一个SPI高速串行外设接口、一个SCI高速串行通信接口以及一个高达500ns的10位模/数转换器，并具有适合电机控制的事件管理器EVA、EVB，其中包括带有死区控制的6路PWM输出信号。高速的数据处理能力和适合电机控制的硬件资源为压力闭环控制系统的设计提供了良好的基础。

如图4所示，压力闭环控制系统由压力给定、压力采样、显示模块、驱动模块和功率模块等组成。压力给定模块输入系统的各项设定值，并由显示模块显示；通过压力传感器采样泵的压力，将压力采样信号进行低通滤波处理后给DSP的A/D口，在DSP中实现压力PI调节，其输出给SVP-WM模块，输出6路PWM波，经隔离、功率放大后驱动异步电动机，从而实现压力闭环控制。

2.2 驱动电路设计

驱动电路的设计主要是考虑上桥功率管驱动电源的浮地问题。解决的方法有两种：一种是多电源的驱动方式，缺点是增加了电源数量，并增加了系统成本；第二种是采用自举技术。本系统采用自举方式设计了驱动电路，如图5所示。当上管V₁关断，下管V₄导通时，N点电位为+15V，M点为0，若忽略二极管D₁的导通压降，则自举电容C₅的电压为+15V；而当上管V₁导通，下管V₄关断时，M点的电压为V_dc，而自举电容C₅的电压不能瞬变，瞬时N点电位为（V_dc+15）V则自举二极管D₁承受反压关断，从而保护+15V电源。自举电容C₅需采用较大电容值（本系统取为100μF），在载波频率为20kHz的条件下，自举电容的电压波动不超过100mV，从而保证上桥功率开关管能够安全、可靠地运行。

图4 控制系统结构

图5 自举电路

图6 压力采样电路

2.3 压力采样电路设计

压力采样电路如图6所示。由1路A/D转换通道实现0～5V电压和4～20mA电流信号的采集。首先2路信号经分压和低通滤波处理后接至运算放大器的同相端，提高负载阻抗，运算放大器的输出通过二极管（为肖特基二极管，管压降为0.18V）实现模拟信号的“或”运算，从而简化了系统设计。同时采用D₃、D₄对输入到A/D转换口的压力信号进行限幅处理，防止过高电压击穿DSP的A/D口。

2.4 保护电路设计

保护电路的作用是保证功率开关管能够安全、可靠地运行。当系统出现异常情况时能够检测故障状态并封锁系统输出，使系统停止工作，从而保护功率器件不受损坏。本系统具有充电软起功能，此外还具有DSP可靠复位、过载、过温、停机以及驱动系统保护等功能。驱动保护电路如图7所示。以下对过温保护、充电软起、DSP可靠复位保护、停机保护等作简要介绍。

2.4.1 过温保护

过温保护是指温度传感器在检测到功率开关器件工作温度过高时，由软件产生中断来禁止PWM输出。本系统采用温度开关（工作点为75℃）实现过温保护。(www.xing528.com)

2.4.2 主电路充电软起动

当系统起动时，如果直接接通单相220V电压，将会对滤波电容C₂产生极大的电流冲击，从而对系统造成损害。为此，加入了主电路充电延时电路，具体做法就是在滤波电容前加一个充电电阻R₁在系统起动时使直流母线电压逐步增加，避免了起动时的大电流冲击，待电容C₃的电压为稳态值的80%时，SJ2闭合，从而实现了充电软起动的功能。

2.4.3 DSP可靠复位保护

SJ1继电器的控制信号由DSP发出，只有在DSP正常运行后，SJ1才可以接通；如果DSP不能正常运行，则SJ1关断。这样就可以保证DSP在不能可靠上电复位时，及时切断储能电容C₃的充电回路，从而避免功率开关管“直通”等故障的发生。

2.4.4 停机保护

当系统停机或突然断电时，由于控制电路的时间常数小于主电路的时间常数，即当控制电路放电至零时，主电路中C₃仍然有较高电压，此时控制信号紊乱，有可能造成桥臂功率开关管“直通”故障。为避免这一现象的发生，本系统设计了系统断电保护电路。图7中用SJ3、R₄来实现这一功能。SJ3为常闭触点，其线圈由电网电压220V控制，系统上电时SJ3线圈通电，常闭触点打开，此时系统可以实现“软充电”；系统断电时，SJ3常闭触点闭合，电阻R₄并入放电回路，此时主电路的时间常数变小，通过对R₄适当选取可以保证断电时系统安全。

图7 驱动保护电路

2.5 系统的软件设计

系统主程序流程如图8所示。首先进行系统的初始化、事件管理器的设置和中断的设置等，然后对各应用模块进行初始化，最后程序进入等待以响应软件定时器中断。

图8 主程序流程图

图9为SVPWM子程序流程图。首先根据转角位置进行工作扇区的判断，由式（6）和表2计算出t_a、t_b和t_c，然后进行窄脉宽判断，并将判断后的结果输出给比较控制寄存器CMPR1、CMPR2和CMPR3。

图9 SVPWM子程序流程图