【正文】 skv?10 ，通常的型號有 :HCPL4504, TLP559, 6N136，并且在光 耦 輸出端接一個退 耦 電容。低速光 耦 可用于故障輸出端。 吸收電路 開關(guān)過電壓是 IGBT 在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的過電壓，也叫瞬態(tài)過電壓，消除這種電壓尖峰的電路叫吸收電路 (snubber)。 電路如圖 35所示。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 25 頁 共 43 頁 25 圖 34 IPM 接口電路 圖 35系統(tǒng)的 保護電路 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 26 頁 共 43 頁 26 過壓、欠壓保護電路 系統(tǒng)中設(shè)置了直流電壓過壓、欠壓保護電路。利用光電 耦 合器 把 各 種 模 擬 負 載 與 數(shù) 字 信 號 源 隔 離 開 來 ， 也 就 是 把 “ 模 擬 圖 36過壓、欠 壓保護電路 地”與“數(shù)字地 ” 斷開。 (2)保護點參數(shù)選擇，設(shè)置電網(wǎng)電壓士 10%為允許的電壓變化范圍。 (1)工作原理 工作原理與過壓、欠壓保護才目類似。 IPM 故障保護電路 護 M 有內(nèi)置保護電路以避兔因系統(tǒng)失控或過載而使功率器件損壞，內(nèi)置保護功能的框圖如圖 37 所示。由于有 toff 這么長時間的保護動作延時瞬間過電流及噪聲不會導(dǎo)致誤動作。輸出短路保護故障。如果毛刺干擾時間小于規(guī)定的時間則不會出現(xiàn)保護動作。當溫度降至復(fù)位溫度，且輸入信號為 OFF，則解除報警。電源上電時應(yīng)先接通控制電源 Ucc，然后再加主電源。 控制電路的設(shè)計 TMS320 系列 DSP 的體系結(jié)構(gòu)是專為實時信號處理而設(shè)計，該系列 DSP 控制器將實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。 (3)片內(nèi)高達 32K 字的 Flash 程序存儲器，高達 2. 5K 字的數(shù)據(jù) /程序 RAM,544字雙端口 DARAM, 2K 字的 SARAM。片內(nèi)光電編碼器電路 。 (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)。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 30 頁 共 43 頁 30 (11)看門狗定時器模塊基于鎖相環(huán) PLL 的時鐘發(fā)生器。 DSP（ TMS320LF2407A)的最小系統(tǒng)電路 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)進行通信的 DSP系統(tǒng)。 DSP 外圍接口電路設(shè)計 串行接口電路如圖 39，我們通過一片 MAX232 構(gòu)成串行通信接口。發(fā)送器將TTL。接收器將 EIA/T 工 A232E 標準的輸入電平轉(zhuǎn)換成JTAG 接口 DSP TMS320LF2407A 電源監(jiān)控 時鐘 復(fù)位 程序 數(shù)據(jù) EEPROM 電平變換 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 31 頁 共 43 頁 31 5VTTL/CMOS 電平。它主要包括 :電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、仿真接頭、擴展 SRAM 等。 (13) 5 個外部中斷，其中 2 個驅(qū)動保護， 1個復(fù)位中斷和兩個可屏蔽中斷。 (9)串行通信接口 SC工模塊。時間管理器模塊適用于控制交流異步電動機、無刷直流電機、步進電機、開關(guān)磁阻電機、多級電機和逆變器。防止擊穿故障的可編程的 PWM 死區(qū)控制 。40MIPS 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到 25ns，從而提高了處 理器的實時控制能力，使 LF2407A 可以提供遠遠超過傳統(tǒng)的 16 位微處理器和控制器的 性能。由于 IPM 大多工作在 PWM 信號控制的高頻開關(guān)狀態(tài)，且電流較大，溫度上升較快，即使有過熱保護功能，但急劇的溫度上升對 IGBT 的安全不利。 注意 :IPM 內(nèi)含的保護并不是對付反復(fù)出現(xiàn)的故障， 因此，不要加有長期超過最大額定值的負載。 (4)管殼及管芯溫度過熱保護 采用與 IGBT 續(xù)流二極管管芯裝在同一陶瓷基板上的測溫元件檢測基板溫度，同時采用與 IGBT 管芯在一起的測溫元件測 IGBT 管芯溫度。 （ 3)控制電源欠電壓保護 如果某種原因?qū)е驴刂齐妷悍锨穳簵l件，該功率器件會關(guān)斷 IGBT 并輸出故障信號。 （ 2)短路保護功能 過電流保護動作時，短路保護將聯(lián)動，能抑制因負載短路及橋臂短路產(chǎn)生的峰值 電流。以下介紹各個保護功能的工作情況 圖 37 IPM 內(nèi)部保護電路 (1)過電流保護功能 欠壓 驅(qū)動 過濾 短路 過溫 溫度控制 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 28 頁 共 43 頁 28 通過檢測 IGBT 集電極電流進行過電流保護，如果集電極電流超過允許值(OC)，且持續(xù)時間大于 toff，則軟關(guān)斷 IGBT。 R4 分壓和光 耦 隔離后送入 比較電路，兩者共用一個光電隔離器。U2= ?DCPU (1+10%}=311? (1+10%)=342V (317) 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 27 頁 共 43 頁 27 限流啟動電路 此電路是用來防止在開啟主回路時，由于儲能電容大，加之在接入電源時電容器兩端的電壓為零，故當主電路剛合上電源的瞬間，濾波電容器的充電電流是很大的，過大的沖擊電流將可能使整流橋的二極管損壞。注意在這里的隔離光 耦 是工作在線性工作區(qū)內(nèi)。 直流電壓保護信號取自主回路濾波電容器兩端，經(jīng)電阻 R1,R4 分壓和光 耦 隔離后送入控制電路。這就要求我們在設(shè)計保護電路的同時應(yīng)該考慮抗干擾問題。在此，針對這些問題，設(shè)計了系統(tǒng)過壓、欠壓保護、限流起動、工 頻 故障保護等電路。每個保護都包括過溫、過流、欠壓、短路保護。在 F 結(jié)束后，自動復(fù)位，同時使輸入有效。可在控制電源輸出端接 10叮及 叮的濾波電容，保持電源平穩(wěn)，修正線路阻抗。 驅(qū)動電源電壓在 13. 5V16. 5V 之間， IPM 能夠正常工作。本系統(tǒng)開關(guān)頻率選用 . 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 23 頁 共 43 頁 23 以 IPM 為功率器件的驅(qū)動電路 IPM 逆變驅(qū)動接口電路如圖 34所示仁上橋臂只以 U 相為例 )。 (4)IPM 逆變器開關(guān)頻率的確定 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用 SPWM 逆變電路可以大大降低逆變電路輸出電壓的諧波，使逆變電路的輸出電流接近正弦波。續(xù)流二極管為 無功電流返回直流電源提供“通道”。 三相橋臂 。以嚴密的時序邏輯監(jiān)控保護，可防止 過電流、短路、過熱及欠電壓等故障發(fā)生。 (1) IPM 的主要特性 采用低飽和壓降，高開關(guān)速度，內(nèi)設(shè)低損耗電流傳感器的 IGBT 功率器件。 .IGBT 是 80 年代出現(xiàn)的新一代復(fù)合型電力電子器件，它集合了MOSFET 和 GTR 的優(yōu)點，適合于高速、低功耗的場合，如電機控制，開關(guān)電源等。 電源指示 發(fā)光二極管 DS1 除了表示電源是否接通以外，還有一個十分重要的功能，即在主電路切斷電源后，顯示濾波電容上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。 在沒有加入濾波電容時，單相整流橋輸出平均直流電壓為 : VUU ND 2972202323 ???? ?? (35) 加上濾波電容后， DU 的最高電壓可達交流線電壓的峰值 : VUU NDm 3 1 12 2 022 ????? (36) 假設(shè)輸入電壓的波動范圍為 200V ~240V，當輸入電壓對應(yīng) 240V 的輸入，整流后的電壓為 324V。根據(jù)上面計 算的電壓和電流以及市場價格和供貨情況，實際基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 20 頁 共 43 頁 20 選用的單相整流橋為 10A, 1000V. 濾波電路 在整流電路中輸出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。小功率的，輸入電源多用 220V，整流電路為單相全波整流橋 。圖中 C5 為 C 型吸收電路， R6 到 R11 和 C6到 C11 組成 RC 型吸收電路。 主電路的設(shè)計 主電路原理圖如圖 32 所示，由整流電路、濾波電路、逆變電路 (IPM)和 IPM的吸收電路組成。 控制電路包括 DSP 最小系統(tǒng)電路、頻率輸入電路、光 耦 隔離電路等。過壓，欠壓保護是利用電阻分壓采集母線電壓，與規(guī)定值相比較 。具體實現(xiàn)方法是把逆變器整個變頻范圍劃分為若干個 頻段，在每個頻段內(nèi)都維持載波比恒定，對于不同頻段取不同的載波比，頻率較低載波比取大點，一般有經(jīng)驗參數(shù)可取 . 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 17 頁 共 43 頁 17 3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計 本文設(shè)計的系統(tǒng)以 TI公司的 TMS320LF2407A為控制核心 ，其總體設(shè)計圖如圖 311 圖 31基于 DSP 的變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計圖 M 限流起動 電壓檢測 IPM 故障保護 泵升控制 過欠壓保護 驅(qū)動電路 光電耦合 頻率輸入 中央處理器 故障保護 PWM IO 接口 IO接口 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 18 頁 共 43 頁 18 其中主電路部分由整流電路、濾波電路、逆變電路 (和 IPM 驅(qū)動電路與吸收電路組成。一般在改變調(diào)制頻率時保持三角載波頻率不變，因此提高了低頻時的載波比，在低頻工作時，逆基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 16 頁 共 43 頁 16 變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可以隨著輸出 頻率的降低而增加，相應(yīng)的減小了負載電機的轉(zhuǎn)矩與噪聲，改善了低頻時的工作特性。但是這種調(diào)制，在信號頻率較低時，載波的數(shù)量顯得稀疏，電流波形脈動大，諧波分量劇增，電動機的諧波損耗及脈動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。 （ l)同步調(diào)制 在改變正弦信號周期的同時成比例地改變載波周期，使載波周期與信號頻率的比值保持不變。但是，提高載波的頻率要受逆變開關(guān)管的最高開關(guān)頻率限制，而且也形成對周圍電路的干擾源。顯然，它僅僅是通過電動機繞組濾波后的近似正弦波。盡管相電壓是雙極性的，但是合成后的線電壓脈沖系列與單極性相電壓合成的結(jié)果一樣都是單極性的。當 A 相調(diào)制波 Au tu 時， V1 導(dǎo)通， V2 關(guān)斷，使負載上的相電壓為 UA=+U/z(假設(shè)交流電機定子繞組為星型聯(lián)接，其中性點 0 與整流器輸出端濾波電容器的中點 0 相連，那么當逆變器任一相導(dǎo)通時在電機繞組上所獲得的相電壓為 U/2,當， V1 關(guān)斷而 V2 導(dǎo)通，則 UA=U/2 )所以 A 相電壓 AU 是以 +U/2 和 U/2 為幅值作正、負跳變的脈沖波形。而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工作情況正好相反。這時的調(diào)制情況是 :當正弦調(diào)制波電壓高于三角載波電壓時，相應(yīng)比較器的輸出電壓為正電平，反之則為零電平。用一組等腰三角形波與一個正弦波進行比較，如圖 28 所示，其相交的時刻 (即交點 )來作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時刻。如果把一個正弦半波分作 n 等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖 的中點與正弦波每一等分的中點相重合。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動勢必然減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩 T減小。低頻時， IU 和 IE 都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能再忽略。這是恒壓頻比的控基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 第 10 頁 共 43 頁 10 制方式。 由上式可見，如果定子每相電動勢的有效值 IE 不變，改變定子頻率時會出現(xiàn)下面兩種情況 :如果 If 大于電機的額定頻率廠 If N，那么氣隙磁通量中、就會小于額定氣隙磁通量中、。 IK — 與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 。對于低負載運行時間較多或起停運行較頻繁的場合，