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基于DSP與IPM的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

作者: 時間:2012-05-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。隨著電力電子控制技術(shù)及元器件的不斷發(fā)展,系統(tǒng)的集成度、智能化程度越來越高,構(gòu)成也越來越緊湊、簡單。(數(shù)字信號處理器)+(智能功率模塊)就是系統(tǒng)最新的發(fā)展方向之一。
  在+構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)中,充分利用了高速運算、配置豐富及控制信號接口簡單、保護完善的特點,使得系統(tǒng)元器件數(shù)大為減少、結(jié)構(gòu)緊湊,而性能及可靠性卻大為提高,縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,提高了產(chǎn)品的競爭力。
  筆者為某設(shè)備所做的一個變頻調(diào)速子系統(tǒng)就采用了DSP+IPM的結(jié)構(gòu)。下面介紹該系統(tǒng)的設(shè)計方法。
設(shè)計
DSP和IPM
  該系統(tǒng)工況為24小時連續(xù)工作制。要求受上位機控制,控制兩路電機的啟動、停止、轉(zhuǎn)速及加速度,同時將掉電及故障信號反饋給上位機。系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、保護功能完善、穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)輸入電壓為3Φ 200VAC。控制的兩路電機功率分別為180W。根據(jù)以上要求,我們采用了DSP+IPM的硬件結(jié)構(gòu)。
  因為系統(tǒng)要求實時控制兩路電機的運行,我們選用了TI公司的專為電機控制設(shè)計的TMS320L2407A型DSP。該DSP采用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),時鐘頻率可達40MHZ,指令周期僅為25ns,可實現(xiàn)3.3V低功耗設(shè)計,滿足實時控制要求。尤其值得一提的是該DSP具有用于電機控制的專用外圍配置―兩個事件管理模塊EVA和EVB,每個模塊包括:兩個16位通用定時器;8個16位PWM通道;三個外部事件的時間標(biāo)記捕獲單元;可編程的死區(qū)時間以防止直通故障;在片位置編碼器接口電路;同步A./D轉(zhuǎn)換器等,可方便地實現(xiàn)對兩路電機的控制。另外,該型DSP還有多達40個可單獨編程的復(fù)合通用輸入/輸出引腳、多達5個外部中斷等配置,對實際應(yīng)用帶來很大方便。
  因為該系統(tǒng)輸入電壓為3Φ 200VAC,控制的兩路電機功率均為180W,考慮適當(dāng)裕量,我們選用了三菱公司第三代DIP-IPM PS21563(10A/600V)。三菱DIP-IPM是面向AC100~200V級小容量電機變頻驅(qū)動、采用傳遞型封裝結(jié)構(gòu)、將功率電路和驅(qū)動保護電路集成于一體的小型智能功率模塊,具有以下特點:
  ·3相AC變頻輸出電路搭載三菱第5代平面型IGBT和CSTBT(Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor:具有載流子蓄積層的溝槽型門極構(gòu)造雙極晶體管)功率芯片,實現(xiàn)更低損耗。
  ·采用自舉電路結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)單電源驅(qū)動。
  ·內(nèi)置有IGBT驅(qū)動電路,具有過載保護、控制電源欠壓保護功能。P側(cè)具有UV(控制電源欠壓)保護功能,但不輸出故障信號F。N側(cè)具有UV及SC(過載)保護功能,同時輸出故障信號F。
  ·內(nèi)置專用HVIC(高壓600VIC),無需隔離絕緣電路(如光耦),可由DSP或3V級單片機直接驅(qū)動。
  ·輸入接口電路采用高電平驅(qū)動邏輯,消除了舊產(chǎn)品低電平驅(qū)動方式對電源投入和切斷時的時序要求,增強了模塊自保護能力。
  系統(tǒng)輸入為3Φ 200VAC,經(jīng)三相全橋整流為約270VDC供給IPM,并由270V進行DC/DC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生輔助電源,為DSP、上位機及IPM模塊提供控制電源。上位機接受主系統(tǒng)控制,對DSP發(fā)出2路電機起停、4級加速度及8級速度的控制信號,DSP根據(jù)上位機的控制信號產(chǎn)生兩組6路脈沖分別控制兩個IPM模塊,從而控制兩路電機的起停、加速度及轉(zhuǎn)速。兩路電機的轉(zhuǎn)速通過軸編碼器反饋回上位機。IPM的故障信號反饋給DSP,DSP將故障信號及掉電信號反饋回上位機。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/257501.htm

圖1 系統(tǒng)原理框圖
自舉電路
  一般逆變電路中,因上臂3個IGBT的觸發(fā)脈沖的參考地是懸浮的,故上臂觸發(fā)脈沖需3組相互隔離的電源供電。下臂3個IGBT的觸發(fā)脈沖是共參考地的,只需一組供電電源。故共需多達4組相互隔離的電源。而三菱公司的DIP-IPM采用自舉電路結(jié)構(gòu),可方便地實現(xiàn)單電源驅(qū)動。具體工作原理如下:當(dāng)DIP-IPM起動時,先給下臂IGBT發(fā)出足夠的充電脈沖數(shù)或足夠?qū)挼膯蝹€脈沖,開通下臂(N側(cè))的IGBT,使下臂的供電電源通過IPM的內(nèi)部充電路徑使上臂的3個自舉電容完全充電,從而給上臂的3個IGBT的觸發(fā)脈沖供電。然后才開始發(fā)出PWM控制脈沖。自舉電路充電路徑及工作時序圖如圖2所示。

圖2 自舉電路充電路徑及工作時序圖
  自舉電容C1的容值計算公式為C1=IBS X T1/△V,式中T1為上臂IGBT的最大通態(tài)(ON)脈寬,IBS為IC的驅(qū)動電流(考慮溫度和頻率特性),△V為允許的放電電壓。注意,用該式計算出的自舉電容容值應(yīng)是最小值,實際選擇時應(yīng)增加一定裕量。
  自舉電阻R2的阻值選擇應(yīng)滿足下述條件:時間常數(shù)R2 X C1能使放電電壓(△V)在下臂IGBT的最小導(dǎo)通脈寬(T2)內(nèi)被充電到C1上。即 R2={(VD-VDB) X T2}/(C1 X △V),式中VD為電源電壓,VDB為自舉電容C1上電壓。
  自舉二極管選擇:對3Φ 200VAC電路,若電源輸入電壓波動范圍取±30%,則三相全橋整流后直流電壓VD=200 X 1.3 X1.35=351(V),取最小裕量為1.5,則自舉二極管耐壓應(yīng)為351 X1.5=526.5(V),取600V。故自舉二極管額定電壓最小應(yīng)為600V,因為PWM載波頻率較高(最大為20KHZ),推薦選用快恢復(fù)二極管(反向恢復(fù)時間小于100nS)。
硬件設(shè)計要點
  根據(jù)筆者設(shè)計該系統(tǒng)的經(jīng)驗,硬件設(shè)計應(yīng)注意以下方面,以提高系統(tǒng)抗干擾性,使之在強干擾的現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境中能可靠穩(wěn)定運行。
  ·雖然DIP-IPM模塊可由DSP直接驅(qū)動,但實際調(diào)試時發(fā)現(xiàn),在上電及對DSP進行flash編程過程中,DSP的引腳有時會出現(xiàn)不確定狀態(tài),產(chǎn)生干擾脈沖導(dǎo)致IPM的上、下臂IGBT直通引起短路保護動作。故我們在DSP到IPM的兩組觸發(fā)脈沖通道中分別加了一個八通道、雙電源3態(tài)門轉(zhuǎn)換收發(fā)芯片74LVC4245,該芯片的輸出使能端由一個簡單的邏輯門電路控制,如圖3所示。以確保在上電及對DSP進行flash編程時不會有干擾脈沖誤觸發(fā)IPM。

圖3 控制觸發(fā)脈沖通道通、斷的邏輯門電路
  ·為防止信號振蕩,應(yīng)在各輸入端加RC退耦電路。對兩組觸發(fā)脈沖來說,RC電路一來可濾掉干擾脈沖,二來還可限制輸入脈沖的最小脈寬。RC容量的選擇要和PWM的載波頻率匹配,使得既能濾掉干擾信號,又不對觸發(fā)脈沖造成畸變。因為DIP-IPM輸入部分IC內(nèi)置2.5KΩ(min)下拉電阻,故RC中R阻值的選擇應(yīng)注意使分壓后的信號值滿足DIP-IPM的輸入電平閾值要求。
  ·DIP-IPM還有一個很實用的功能:短路保護。在本系統(tǒng)的軟件調(diào)試過程中,該功能多次發(fā)揮作用,可靠地保護了模塊,使本系統(tǒng)樣機調(diào)試過程中IPM模塊無一損壞。但要使該功能可靠發(fā)揮作用,應(yīng)注意以下兩點:
  1)外部電流檢測電阻的信號回路必須設(shè)置RC濾波電路,以免短路保護誤動作。RC時間常數(shù)的選擇要考慮IGBT的硬中斷能力,一般推薦為1.5~2μS,最大不超過6μS。時間常數(shù)過短可能引起短路保護誤動作,過長則可能超出IPM模塊的耐受能力,不能有效保護IPM模塊。
  2)外部電流檢測電阻應(yīng)為無感電阻,該電阻及其信號引線到IPM模塊對應(yīng)引腳的布線應(yīng)盡可能短,以免由引線電感干擾引起短路保護誤動作。
  ·PCB布板時應(yīng)注意采取以下抗干擾措施:
  1)強電(功率部分)和弱電(控制部分)從區(qū)域上分開。
  2)數(shù)字地(控制地)和模擬地(功率地)分開布局,只能在一點相接。一定要注意避免功率地線上的電流流經(jīng)控制地線,以免引入地線干擾。
  3)PCB上IPM模塊相鄰觸發(fā)脈沖引腳間可開槽,避免相互干擾。
  4)電流檢測電阻及其信號線、觸發(fā)脈沖信號及所有電容到IPM模塊的布線要盡可能短,盡量降低其引線電感引起的干擾。
結(jié)語:
  該系統(tǒng)已批量生產(chǎn)上千臺,投入現(xiàn)場連續(xù)運行三年多。實際運行表明,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,工作良好??梢灶A(yù)計,DSP+IPM模式將是緊湊型變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。



關(guān)鍵詞: IPM DSP 變頻調(diào)速 硬件

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