【正文】 OUT為電機(jī)輸出功率，UPK為峰值電壓，Umin為最小交流輸入電壓。4．2．3逆變電路 4．2．3．1智能功率模塊 IPM 逆變電路的功率器件采用目前最先進(jìn)的智能功率模塊IPM(Intelligent Powr Module)，IPM不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU或DSP作中斷處理。以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，尤其適合于驅(qū)動電機(jī)的控制器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服進(jìn)給，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。IPM內(nèi)部的IGBT導(dǎo)通壓降低，開關(guān)速度快，故IPM功耗小。在靠近IGBT的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當(dāng)基板過熱時，IPM內(nèi)部控制電路將截止柵級驅(qū)動，不響應(yīng)輸入控制信號。6)抗干擾能力強(qiáng)。IPM自動檢測驅(qū)動電源，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^l0u S 時，將截止驅(qū)動信號。10)大大減少了元件數(shù)目。 第一：根據(jù)IPM的過流值以確定峰值電流。例如：電源Vac =220V交流，電機(jī)P=3．7kW，OL =150％，λ=120％，η=0．9，ψF =0．76，則IC(峰值)=。 15Ps21564內(nèi)置6單元3相輸出，過流保護(hù)，欠壓保護(hù)。5175PM75RLA060內(nèi)置7單元(含制動)3相輸出：短路，過流，過溫，欠壓保護(hù)。161200PM200CLA060內(nèi)置6單元3相輸出：短路，過流，過溫，欠壓保護(hù)。45KW371400PM400CLA060內(nèi)置6單元3相輸出：短路，過流，過溫，欠壓保護(hù)。圖45采用高速光耦隔離的IPM典型應(yīng)用接口電路 1)光耦隔離 為提高電路安全性，DSP的PWM信號輸出端與IPM的控制信號輸入端之間最好用光耦進(jìn)行隔離(可以直接驅(qū)動，但不推薦)。防止這一現(xiàn)象的辦法是一只IPM打開的時候必須確保他的對管已經(jīng)完全關(guān)閉。HCPL4504內(nèi)部集成高靈敏度光傳感器，極短的寄生延時為IPM應(yīng)用中的高速開關(guān)的死區(qū)時間確保了安全，是功率器件接口的完美解決方案。缺點(diǎn)是價格昂貴，設(shè)計(jì)成本增加。充電動作如圖4—8所示，通過開通下臂(N側(cè))的IGBT2，自舉電容被充電。當(dāng)VS處電位上升至接近P處電位時，Cl停止充電。因此，當(dāng)VS處的電位下降到VEC2時，C1開始充電以恢復(fù)其下降的電位。另外，還應(yīng)給計(jì)算出的電容值增加一定的裕量。如果下臂IGBT的最小導(dǎo)通脈沖寬度Tmin或者上臂IGBT的最小關(guān)斷脈沖寬度Tmin為 20us，自舉電容在此期間需要被充電△VDB =1V，則有：（）即自舉電阻選擇為4Ω。當(dāng)檢測到下臂(Nside)直流母線的電流過大時，短路保護(hù)通過RC濾波器開始工作。 4．3信號采集電路設(shè)計(jì) 在交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，要把直流母線電壓、相電壓、相電流等信號采集到DSP中，實(shí)現(xiàn)用低壓數(shù)字器件去測量控制高電壓、強(qiáng)電流等模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒有電氣隔離，那么，高壓強(qiáng)電流很容易串入低壓數(shù)字電路中，將器件燒毀。當(dāng)D1通過驅(qū)動電流If時，發(fā)出紅外光(伺服光通量)。輸出光電二極管D3產(chǎn)生的輸出電流I2與D1發(fā)出的伺服光通量成線性比例。A2構(gòu)成電流電壓轉(zhuǎn)換電路，A2和R2將I2轉(zhuǎn)換為電壓輸出?？刂葡到y(tǒng)功能框圖如圖412所示：圖412控制系統(tǒng)功能框圖4．4．1主控芯片TMS320LF2407A介紹TMS320系列DSP的體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時信號處理而設(shè)計(jì)，該系列DSP控制器將實(shí)時處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了理想的解決方案。 (4) SCI／SPI引導(dǎo)ROM。 (7) 10位AD轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為375ns，8個或16個多路復(fù)用的通道，可選擇由兩個事件管理器或軟件觸發(fā)。(11) 看門狗定時器模塊基于鎖相環(huán)PLL的時鐘發(fā)生器。 4．4．2 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)DSP最小系統(tǒng)是指既沒有輸入通道，也沒有輸出通道，同時也不與其它系統(tǒng)進(jìn)行通信的DSP系統(tǒng)。它們的代表性芯片及其性能表述如下：◆線性穩(wěn)壓器： 雙路輸出 TPS767D318：5V 3．3V／1．8V 1A／1A EN PS767D301：5V 3．3V／可調(diào) 1～1A EN 單路輸出 TPS76333： 5V 3．3V 150mA ENTPS7333： 5V 3．3V 500mA EN TPS76801： 5V 可調(diào) 1A EN PG TPS76833： 5V 3．3V 1A EN PG TPS75701： 5V 可調(diào) 3A EN PG TPS75733： 5V 3．3V 3A EN PG TPS75501： 5V 可調(diào) 5A EN PG TPS75533： 5V 3．3V 5A EN PG ◆開關(guān)電源控制器： 單路輸出 TPS40K系列：最大輸出電流取決于MOS管TPS40000： 2．25—5．5V —4V 15A ◆帶MOS管的DC／DC控制器：TPS54K系列，最大輸出電流可達(dá)14A TPS54310： 3～6V 0．94．5V 3A TPS62K系列，最大輸出電流可達(dá)1．2A，轉(zhuǎn)換效率95％ TPS62040： 2．5V一6V 0．7V6V 1．2A ◆開關(guān)電源模塊：雙路輸出 PT6931： 5V 3．3V／1．8V 5．5A／1．75APT6932： 5V 3．3V／1．5V 5．5A／1．45A TMS320LF2407A的內(nèi)核電壓和I／O端口電壓都是3．3V，而控制系統(tǒng)整體是由一個外接5V的電源供電，因此只需單路輸入5V、輸出3．3V的電源器件，考慮到電路對電流要求不是太高，500mA的電流就夠了，我們選擇了TPS7333穩(wěn)壓器件來為DSP供電。有時一些片選及時序不J下常工作也是有時鐘信號的毛刺造成的(尤其在高頻系統(tǒng)中)。其優(yōu)點(diǎn)有：頻率范圍寬(1HZ~400MHZ)、驅(qū)動能力強(qiáng)(可提供多個器件使用)。時鐘電路選擇原則有：1)系統(tǒng)中要求多個不同頻率時鐘信號時，首選可編程時鐘芯片。5)DSP時鐘信號電平為1．8V的，建議采用晶體時鐘電路 6)盡量使用片內(nèi)PLL，降低片外時鐘頻率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。圖415晶體、晶振時鐘及鎖相環(huán)電路圖圖416晶振輸出時鐘波形3復(fù)位電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電時可自動復(fù)位，但為了防止系統(tǒng)受到外界干擾或電源波動時出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，還專門加了外部復(fù)位電路。外部復(fù)位電路如圖4一17所示：圖417復(fù)位電路 圖418 JTAG仿真接口電路4．JTAG仿真接口本系統(tǒng)采用聞亭EPP5100硬件仿真器，其仿真信號采用JTAG標(biāo)準(zhǔn) ，有14個引腳，通過JTAG接口可將仿真器與目標(biāo)系統(tǒng)相連。我們選擇了CY7C1021作為外部存儲器。這樣在訪問程序或數(shù)據(jù)空間的時候，CY7C1021都會被選通。為此要擴(kuò)展非易失性存儲器，我們選用了SPI 總線的存儲器 25AA010A，它是2．5—5．5V的電源供電，帶有塊鎖存保護(hù)的CMOS 串行EEPROM 陣列，128 X 8bits存儲空間，可提供至少1000000次擦寫和100 年的數(shù)據(jù)保存期。接收器的典型臨界值是1．3V，典型磁滯是0．5V。圖422是CAN總線接口電路。本系統(tǒng)軟件采用了自上而下、從整體到局部的設(shè)計(jì)思想，采用模塊化設(shè)|十方案，使程序恩路清晰，可讀性強(qiáng)。由于只是簡尊的參數(shù)給定和顯示，所以在這小再詳細(xì)介紹，其界面如圖5—l所示：圖51串口通信上位機(jī)控制界面下位機(jī)控制程序主要由主程序和三個中斷服務(wù)子程序組成。二、將電機(jī)轉(zhuǎn)速、母線電壓、IPM狀態(tài)等信息傳給上位機(jī)顯示。其程序流程如圖5—4所示： 故障中斷服務(wù)程序主要任務(wù)是：當(dāng)TMS320LF2407的功率驅(qū)動保護(hù)引腳接收到過流、欠壓、過熱、短路等故障信號時，產(chǎn)生中斷，立刻封鎖PWM輸出，斷開主電路并顯示相應(yīng)的故障，避免系統(tǒng)和IPM功率模塊燒壞。使用DSP／BIOS后，還能增強(qiáng)對代碼執(zhí)行效率的監(jiān)控。整個工程由庫函數(shù)文件、頭文件、命令文件、中斷向量文件及用匯編或C語言編寫的源程序文件組成。qmath．1ib是TI公司提供的數(shù)學(xué)庫函數(shù)，是有匯編語言編寫的函數(shù)庫，可被C調(diào)用。頭文件代碼比較長，可以從TI的例程中復(fù)制到工程中，再根據(jù)自己需要做適當(dāng)修改即可。在配置．CMD文件時，必須對DSP的數(shù)據(jù)和程序存儲空間以及匯編偽指令。3．命令文件命令文件LF2407．CMD以．CMD為后綴，實(shí)現(xiàn)對程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間的分配。由于我們用到了其中的求正弦函數(shù)qsinlt()，所以將該庫文件包含到工程中。工程的整體結(jié)構(gòu)如圖57所示：圖57工程的整體結(jié)構(gòu)5．3．2程序說明1．庫文件RTS2XX．LIB是C語言必須用到的系統(tǒng)庫，不需要用戶編寫，可以在CCS 安裝目錄下的C2400\cgtools\lib中找到。日前，可支持TI的幾乎所有系列和型號的DSP。CCS中還提供了DSP／BIOS丌發(fā)工具，CCS由C編譯器、模擬囂軟件、調(diào)試軟件以及插件等組成。二、根據(jù)當(dāng)前頻率值實(shí)時完成SVPWM算法的計(jì)算和波形輸出。中斷服務(wù)子程序包括：串口通信中斷服務(wù)程序、PWM中斷服務(wù)程序、故障中斷服務(wù)程序。上位機(jī)負(fù)責(zé)電機(jī)參數(shù)的設(shè)定、電機(jī)及IPM運(yùn)行狀態(tài)的顯示；下位機(jī)主要負(fù)責(zé)串口通信、空間矢量算法的計(jì)算、PWM輸心、電壓電流采集、故障監(jiān)控等。各部分電路都給出了詳細(xì)的原理圖。這樣就可以實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。MAX232是雙路驅(qū)動／接收器，內(nèi)部包括電容型的電壓生成器，可以將5V電源轉(zhuǎn)換成符合 EIA／TIA232E的電壓等級。當(dāng)開發(fā)完成后可修改映像文件，將64K RAM全部用作數(shù)據(jù)存儲器，而將程序?qū)懭雰?nèi)部FLASH中，系統(tǒng)即可脫離開發(fā)環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。為了不增加系統(tǒng)復(fù)雜度，我們只擴(kuò)展一片CY7C1021作為程序和數(shù)據(jù)存儲器。仿真電路如圖4—18所示：5．外擴(kuò)數(shù)據(jù)和程序存儲器TMS320LF2407A中集成了32K字的FLASH和1．5k字的RAM，片內(nèi)的FLASH可用作程序存儲器，但在開發(fā)階段使用FLASH作為程序存儲極為不便，因?yàn)槊恳淮纬绦虻男薷亩夹枰獙LASH進(jìn)行清除、擦除和編程操作，而且進(jìn)行CCS調(diào)試時只能設(shè)置硬件斷點(diǎn)，故從調(diào)試的角度考慮，應(yīng)該至少擴(kuò)充一塊程序RAM。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撒銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分一合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。晶體、晶振時鐘及鎖相環(huán)電路如圖415所示晶振時鐘電路的第三引腳輸出端還要串接一個10~500的電阻以減小輸出電流，可減少時鐘毛刺，避免時序工作異常。3)多個同頻時鐘信號時，選擇晶振。 可編程時鐘芯片優(yōu)點(diǎn)是：多個時鐘輸出，可產(chǎn)生特殊的頻率值，驅(qū)動能力強(qiáng)，頻率范圍寬(最高達(dá)200MHZ)。由晶體組成的時鐘電路價格便宜，但驅(qū)動能力差，不能同時給其他器件使用，頻率范圍小(20K一60MHZ)。如果時鐘質(zhì)量不好，那么系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就很難保證。它主要包括：電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、仿真接頭、擴(kuò)展 SRAM等，圖413便是一個DSP最小系統(tǒng)框圖。(13) 5個外部中斷，其中2個驅(qū)動保護(hù)，1個復(fù)位中斷和兩個可屏蔽中斷。(9) 串行通信接口SCI模塊。時間管理器模塊適用于控制交流異步電動機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、多級電機(jī)和逆變器。(2) 基于TMS320C2XXDSP的內(nèi)核，保證了TMS320LF2407A芯片的代碼與 TMS320系列DSP代碼兼容。根據(jù)運(yùn)放“虛短和“虛斷”的特性，有： (4．14) (4．15) (4．16)因此，可以通過調(diào)整R1和R2的值，使輸出電壓調(diào)整在DSP所能接受的電壓范圍內(nèi)。圖410 HCNR200結(jié)構(gòu)示意圖4．3．2電壓電流采集電路設(shè)計(jì)圖411是一典型的電壓或電流采集電路。I1 =0．005If。4．3．1 HCNR200簡介 HCNR200型線性光耦的原理如圖410所示。因?yàn)槎搪繁Ｗo(hù)是非重復(fù)的，所以在故障信號輸出后系統(tǒng)應(yīng)立即中斷DSP的PWM信號輸出。再考慮給出l00V裕量，那么二極管的耐壓應(yīng)在 600V，最好選用耐壓超過600V的具有快速恢復(fù)特性的二極管。R2能夠滿足放電電壓ΔV能在IGBT2的最小導(dǎo)通脈寬T2內(nèi)被充電至Cl上。其后，IGBTl再次導(dǎo)通時，由于驅(qū)動電路要消耗電流， C1上的電壓開始逐漸下降。當(dāng)IGBT2關(guān)斷FWD2導(dǎo)通時，C1上的充電電壓Vc1可通過下式來計(jì)算： （）式中：VEC2一FWD2的順方向壓降。 圖48自舉電路及工作時序圖(1)變頻運(yùn)行時自舉電容的充放電：當(dāng)IGBT2處于導(dǎo)通狀態(tài)時，C1上的充電電壓(VCl)可通過下式來計(jì)算： （ ）式中： Vcc一控制電源電壓；VF1 —二極管D1的順方向壓降；Vsatt2 —IGBT2的飽和壓降。考慮到成本問題，本設(shè)計(jì)采用單電源驅(qū)動方案。 另外，在設(shè)計(jì)接口電路時應(yīng)注意：RL的選擇建議在IOK一20K之間；CL的選擇最好在l0pF—l00pF之間；在5與8腳之間加0．1uF去偶電容；7腳和8腳需要短路連接。公式：tPLHmax tPHLmin不僅定義了光耦需要多少時間延時來防止直通短路，而且還能設(shè)置最佳死區(qū)狀態(tài)。而功率管IPM開關(guān)工作時，原則上是絕對不能使上下兩臂同時導(dǎo)通的。本課題采