【文章內(nèi)容簡介】 這種型號的 MOS 管 。 IRFZ44N 的基本參數(shù)如下： 晶體管極性： N 溝道 漏極電流， Id 最大值： 49A 三相交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件 設計 12 電壓， Vds 最大： 55V 開態(tài)電阻， Rds（ on）： 電壓， Vgs 最高： 21V 功耗： 83W 額定電壓的確定 ： 1. 漏極至源極間可能承受的最大 電壓即 Vds 2. 在整個工作溫度范圍內(nèi) 電壓的變化范圍 3. 需要考慮的其他安全因素：如電機線圈 產(chǎn)生的感應電動勢 。 由上述條件結(jié)合本設計實際供電電壓為直流 24V，考慮最壞情況下，同橋臂兩晶閘管同時導通使電源短路時，兩晶閘管承受全部電壓，每個晶閘管 承受最大電壓為 12V。加上一定裕量 IRFZ44N 額定電壓 能滿足要求。 額定電流的確定 ： 流過晶閘管 的電流分為兩種： 連續(xù)導通 下， MOSFET 處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(xù)通過器件 ； 脈沖尖峰脈沖，尖峰是指有大量電涌（尖峰電流） 。 主電路中采樣電阻阻值為 ， 晶閘管 內(nèi)阻 ，保護電路穩(wěn)壓管電壓 5V，同橋臂兩 晶閘管 同時導通使電源短路時，兩 晶閘管 承受電壓為 5V，每個 晶閘管 承受最大電壓為 。 流過 晶閘管 電流約為 21A，加上一定裕量 IRFZ44N 額定電流完全能滿足要求。 驅(qū)動電路的設計 逆變器己廣泛用于交流電氣傳動、 UPS 等許多技術(shù)領(lǐng)域中 ,其主電路開關(guān)器件常采用 MOSFET 或 MOSFET 等全控型器件 ,該器件的開關(guān)動作需要靠獨立的驅(qū)動電路來實現(xiàn) ,并且要求驅(qū)動電路的供電電源彼此隔離 (如單相橋式逆變主電路需3 組獨立電源 ,三相橋式逆變主電路需 4 組獨立電源 ),這無疑增加輔助電源的設計困難和成本 ,同時也使驅(qū)動電路變得復雜 ,降低了逆變器的可靠性。采用如EXB840 等專用厚膜集成驅(qū)動電路芯片雖然可以簡化驅(qū)動電路的設計 ,但每個驅(qū)動芯片仍需要一個隔離的供電電源 ,且每個芯片僅可驅(qū)動一個功率開關(guān)器件 ,應用仍有不便。而美國國際整流器公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動芯片 IR2130 只需一個供電電源即可驅(qū)動三相橋式逆變電路的 6 個功率開關(guān)器件 ,可以使整個驅(qū)動電路簡單可靠。 三相異步電機變頻調(diào)速控制器的設計 13 IR2130 驅(qū)動芯片特點 IR2130 可用來驅(qū)動工作在母電壓不高于 600V 的電路中的功率 MOS 門器件 ,其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為 250mA,而反向峰值驅(qū)動電流為 500mA。 它內(nèi)部設計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網(wǎng)絡 ,使用戶可方便的用來保護被驅(qū)動的 MOS 門功率管 ,加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運用使其可用于高壓系統(tǒng) ,它還可對同一橋臂上下 2 個功率器件的門極驅(qū)動信導產(chǎn)生 2s 互鎖延時時間， 自動產(chǎn)生成上、下側(cè)驅(qū)動 所必需的死區(qū)時間（ ） 。它自身工作和電源電壓的范圍較寬 (3～ 20V),在它的內(nèi)部還設計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器 ,電路設計還保證了內(nèi)部的 3 個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用 ,亦可只用其內(nèi)部的 3 個低壓側(cè)驅(qū)動器 ,并且輸入信號與 TTL 及COMS 電平兼容。 VB1～ VB3:是懸浮電源連接端 ， 通過自舉電容為 3 個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源 ,VS1～ VC3 是其對應的懸浮電源地端。 HIN1～ HIN LIN1～LIN3:逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動信號輸入端 ， 低電平有效。 ITRIP:過流信號檢測輸入端 ,可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護。 CAO、 Vso:內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端 ,可用來完成電流信號檢測。 HO1～ HO LO1～L03:逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動器信號輸出端。 FAULT:過流、直通短路、過壓、欠壓保護輸出端，該端提供一個故障保護的指示信號。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，低電平有效。 IR2130 的逆變電路結(jié)構(gòu) 采用 IR2130 芯片驅(qū)動逆變器功率管時 ， 其基本主電路結(jié)構(gòu)不需要改變 ， 仍可用典型的三相電壓型逆變器電路 ,圖中 C 是 自舉電容 ,為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量 ,D的作用防止上橋臂導通時的直流電壓母線電壓到 IR2130的電源上而使器件損壞 ,因此 D 應有足夠的反向耐壓 ,當然由于 D 與 C 串聯(lián) ,為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求 ,D應選快速恢復二極管。 IR2130的 HIN1～ HINLIN1～ LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動信號與單片機連接 ,由單片機控制產(chǎn)生 PWM控制信號的輸入 ,FAULT 上 連接一個 LED 指示燈， 當發(fā)生故障時，可以 很方便 的觀察到 。其容量取決于被驅(qū)動功率器的開關(guān)頻率、占空比以及充電回路電阻 ,必須保證電容充電到足夠的電壓 ,而放電時其兩端壓不低于欠壓保護動作值 ,當被驅(qū)動的開關(guān)頻率大于 5kHz 時 ,該電容值應不小于 F,且以瓷片電容為好。 三相交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件 設計 14 圖 MOS 驅(qū)動電路 原理圖 IR2130 的 死區(qū) 設定 IR2130 芯片可以自動生成所需的死區(qū)時間，以防止上下橋臂同時 導通 導致的短路，典型的死區(qū)時間為 。 保護 電路 的 設計 IR2130 驅(qū)動芯片上自帶一個過流檢測引腳，可將電流采樣電阻的電壓經(jīng)過電阻分壓之后接入 ITRIP 引腳。當電阻分壓之后的電壓高于 時， IR2130會自動關(guān)閉輸出，保證電機和電路不會因過流而損壞。電路如圖所示。 圖 保護電路 三相異步電機變頻調(diào)速控制器的設計 15 電壓 電流檢測電路 由于 電機各相的工作電壓較高，而 DSP 的 AD 輸入 電壓只有 所以 將 各相電壓經(jīng)過電阻分壓之后再輸入 AD 接口 。 電流 檢測 采用了 檢流 電阻， 當電流通過電阻的時候會產(chǎn)生電壓降， 再 將電壓送入運放 處理 之后輸入單片機的 AD 接口。 圖 電流電壓采集電路 顯示電路 為了將當前 的設定轉(zhuǎn)速 和 檢測 到 的電壓電流顯示出來，我們采用了 1602 顯示屏 。 1602 顯示屏 相比起 數(shù)碼管顯示 具有 顯示 內(nèi)容多， 顯示 方式 靈活的 特點。此外 1602 采用的是 串行輸入 ，控制 方式簡單 。 1602 液晶顯示器是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 16x02 即 32 個字符（ 16 列 2 行） 。 硬件 連接上，直接 將 DSP 的 IO 口和 1602 引腳 連接即可。 此外 ，為了調(diào)節(jié)1602 的 對比度，還需要 電位器 。 圖 1602 顯示電路 三相交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件 設計 16 按鍵 輸入電路 按鍵 輸入電路 由 四個 帶有 上拉 電阻的按鍵 輸入 DSP 的 IO 口 實現(xiàn)。 目的是 為了通過按鍵選擇電機的 正反轉(zhuǎn) ，啟動 與停止 。 圖 按鍵原理圖 電位器調(diào)整 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速調(diào)整 由 電位器 分壓輸入 DSP 的 AD5 實現(xiàn) 。 采樣后的 電壓換算成 電機 的輸入電壓 系數(shù) 。 圖 電位器 電壓采集電路圖 基于 SPI 的 EEPROM 數(shù)據(jù)存儲 X25040 為 XICOR 公司生產(chǎn)的 4KbitSPI 串行 EEPROM。其最大時鐘速率為2M，適合與 SPI 三線傳輸模式。 控制引腳連接說明 ： CS（ 1 腳）片選信號―――受控 T9MS320LF2407A 的 XF 輸出 WP（ 3 腳）寫保護信號―――受控于 TMS320LF2407A 的 IOPC5 輸出 三相異步電機變頻調(diào)速控制器的設計 17 圖 EEPROM 的 引腳連接原理圖 X25040 的 SPI 操作基本采用無延時時鐘觸發(fā)方式，主機在 CLK 的上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)在 CLK 的下降沿接收數(shù)據(jù)。 部分 TMS320LF240x 器件包括帶 4 個引腳的串行外設接口（ SPI）。 SPI 是一個高速、同步串行 I/O 口，它允許長度可編程的串行位流（ 1～ 16 位）以可編程的位傳輸速度移入或移出器件。通常 SPI 用于 DSP 處理器和外部外設以及其他處理器之間的通信。典型的應用包括通過諸如移位寄存器。顯示驅(qū)動器、 DAC以及日歷時鐘等器件所進行的外部 I/O 或器件的擴展， SPI 的主 /從操作支持多處理器通信。 SPI 模塊的特性包括 : 4 個外部引腳： SPISOMI:SPI 從動輸出 /主動輸入引腳； SPISIMO:SPI 從動輸入 /主動輸出引腳； SPISTE:SPI 從動發(fā)送使能引腳； SPISLK:SPI 串行時鐘引腳。 注意：，在不使用 SPI 模塊是，這 4 個腳都可作一般 I/O 引腳。 兩種工作方式：主動或從動工作方式。 波特率： 125 種可編程的波特率，在 CPU 時鐘方式下，當頻率為 30MHz 時，波特率可達 。 數(shù)據(jù)字長： 1～ 16 個數(shù)據(jù)位。 4 種時鐘方案（由時鐘極性和時鐘相位控制）包括： 無延時的下降沿：串行外設接口在 SPICLK 信號下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，而在SPICLK 信號上升沿接收數(shù) 據(jù)。 有沿延時的下降沿：串行外設接口在 SPICLK 信號下降沿之前的半個周期時發(fā)送數(shù)據(jù) ，而在 SPICLK 信號下降沿接收數(shù)據(jù)。 無延時的上升沿：串行外設接口在 SPICLK 信號上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，而在SPICLK 信號下降沿接收數(shù)據(jù)。 三相交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件 設計 18 有沿延時上升沿：串行外設接口在 SPICLK 信號上升沿之前的半個周期時發(fā)送數(shù)據(jù) ，而在 SPICLK 信號上升沿接收數(shù)據(jù)。 發(fā)送和接收操作可通過中斷或查詢方法來完成。 電源電路 TMS320LF2407ADSP 芯片為低功耗芯片，所有引腳中除 VCCP 引腳在對Flash 編程時接 5V電壓外，其他供電電源引腳供電電壓均為 。如果有必要， 電源電壓經(jīng)過一個 T 型低通濾波器（截止頻率 10MHz）后再連到 PLLVCCA引腳 。 本設計中用 兩個 線性 穩(wěn)壓元件 為核心芯片設計電源轉(zhuǎn)換電路。其輸入電壓5V，輸出電壓 。電源電路的原理圖如圖所示 . 圖 電源電路原理圖 此外 ，系統(tǒng)當中的 IR2130芯片 等還需要 12v 和 5v 供電， 由于 這些 芯片 對電源質(zhì)量要求不高，所以本設計中 采用兩個集成 了功率器件的開關(guān)電源芯片構(gòu)成 12v 和 5v 電源。 具有 體積小功率大，發(fā)熱 小 的優(yōu)點。 圖 12V 及 5V 降壓原理圖 三相異步電機變頻調(diào)速控制器的設計 19 第 4 章 三相交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)控制軟件的設計 系統(tǒng)程序框圖 程序由主循環(huán)和 中斷程序組成 ，以下 是 它們 的流程圖。 圖 系統(tǒng) 程序 流程圖 PWM 的 實現(xiàn) 程序 采用 事件管理器模塊 A（以下簡稱 EVA）中的通用定時器 1 及與之相關(guān)的比較單元產(chǎn)生 PWM 波 。 EVA 的定時器 1 都有 3 各與之相關(guān)的比較單元：比較單元 比較單元 2 和比較單元 3，每個比較單元都有一個相應的比較寄存器： CMPR1， CMPR2 和 CMPR3。每個比較單元都可以單獨設置成比較模式和 PWM 模式，設置為 PWM 模式時，每個比較單元有兩個極性相反的 PWM 輸出。因此利用 TMS320LF2407 的事件管理器模塊可以實現(xiàn)對三相橋式逆變電路的 PWM 控制。在周期寄存器 T1PR 的值一定的情況下，通過改變比較寄存器的值就可以改變矩形脈沖的寬度。 在 程序中，我們設定定時器 1 為連續(xù) 增減模式， 通過 設定 T1PR 寄存器確定 20kHz 的載波 ，并通過 改變 CMPRx 的值 來 該那邊 PWM 波的占空比。 三相交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件 設計 20 SPWM 的產(chǎn)生 在程序 當中， 采用 了查表的 方式 ，建立一個 數(shù)組 ，將一個 周期 的正弦波分成 33 份， 并將各 點幅值 存入數(shù)組 ，再按照 需要依次幅值給 比較 寄存器以 產(chǎn)生 SPWM 波 。 具體程序的實現(xiàn)方法如下： 使用 TIMER2 定時器 產(chǎn)生一個中斷，在中斷當中控制計數(shù)變量 index_pwm每次自加一，并用這一變量的數(shù)值查表更新 CMPRx 的比較值，當 index_pwm 達到設定的一周期數(shù)量 33時清零，完成一個周期 SPWM 的產(chǎn)生。 如需改變正弦波的周期，僅需要改變 TIMER2 的中斷周期即可。 設定 轉(zhuǎn)速 LED 顯示 的實現(xiàn) 程序中的設定轉(zhuǎn)速由 AD 采樣回來之后，換算成 b_time 這個 0 到 1 的 電壓系數(shù)，并由它直接控制 SPWM 的輸出電壓。所以用 b_time 作為控制 LED 的變量。 程序如下： LED = ~(1 (8(int)(b_time * 8)))。 將 b_time 的值擴大 8 倍之后取整，將轉(zhuǎn)速換算成 0 到 7 的整數(shù)。由于電路上，低位 LED在最上方，所以再將 8 減去換算得到的值。最后將 1 向左移位換算得到的位數(shù)。由于 LED為共陽的連接方式，所以再取反一次，并最終復制給設定好的 LED 端口，完成轉(zhuǎn)速的顯示。 三相異步電機變頻調(diào)速控制器的設計 21 附錄 一 程序 include include include unsigned in