【導(dǎo)讀】本課題采用TI的電機(jī)專用控制芯片TMS320LF2407DSP，開發(fā)出了基于矢。量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。采用新型的PWM調(diào)制方式——空間電壓矢量法，提。高了能量的利用效率。內(nèi)容主要包括了空間電壓矢量SVPWM的基本原理，及DSP實(shí)現(xiàn)SVPWM的方法；TMS320LF2407的EV模塊SVPWM波形產(chǎn)生流程。

　　

【正文】 主電路 主 電路主要由整流、中間濾波和 IPM 部分組成。主電路采用典型的交一直一交電壓源通用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級(jí)采用三相橋式不可控整流電路，整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容濾波，獲得平滑的直流 電壓。逆變部分通過功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列 。 如圖 42 為變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路 構(gòu)成。 安徽工程科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 P22N26U23U24W25Up1U p 12V u f b3V u f s4Vp5V p 16V v f b7V v f s8Wp9V p 110V p c11V w f b12V w f s13V n 114V n c15C i n16C f o17Fo18Un19Vn20Wn21P S 2 1 8 6 5W3V2U1J P 1A C NA C L1J P 2G B J 2 5 MM 5 0 7 S M S GF u s e 12 0 A / 2 5 0 VD4 C 2 56 3 0 V / 1 0 42 W / 1 KR J Q XJ Q X 1 5 F24V 24GC 2 64 0 0 V 3 9 0 u FC 2 7 C 2 8 C 2 91 2 0 0 V D CC 1 39 4 1 C 1 2 P 2 2 KR X 2 7 / 1 5 W R 0 1 1 JC 1 9104R 1 633015VFoC i nT E S T 1T E S T 265H A L L C T A 圖 42 主電路 整流電路 采用三相不 可 控整流模塊將交流電變成直流電。橋式硅堆的參數(shù)選擇為 ： 通過二極管的峰值電流 ： AAII Nm *2*222 ??? 式 （ 41） 流過二極管電流的有效值： AIwtdII mmD 1031)(3601 1200 2 ??? ? ? 式 （ 42） 二極管電流定額： AII Dn ~)2~( ?? 式 （ 43） 考慮濾波電容充電電流的影響 。 需留有較大的電流余量 。 選用 AIe 15? 整流二極管電壓定額 ： VUU mD 1 2 0 03 8 02)2~2()3~2( ???? 式 （ 44） 根據(jù)上式確定的電壓、電流 ，可 選用二極管整流模 塊 6RI30G120 即 (30A， 1200V)。 中間濾波電路 整流電路輸出的直流電壓含有脈動(dòng)成分，此外逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流及負(fù)載變化也使直流電壓脈動(dòng)，因此要加入大電容濾波環(huán)節(jié)。 當(dāng)沒加濾波電容時(shí)，三相整流輸出平均直流電壓為 ： VUV DC 513380**23 ??? 線? 式 （ 45） 加上濾波電容后。 DCV 的最大電壓可達(dá)到交流線電壓的峰值 ： VUV DC P 537380*22 ??? 線 式 （ 46） 劉桂林：異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 16 濾波電容值理論上越大越好，考慮到 體積和價(jià)格，選用兩個(gè) Vf 450/2200? 的電容相串聯(lián)，總耐壓值為 900V，電容量為 1100 f? 。 IPM 智能功率模塊 IPM（ Intelligent Power Module)不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有欠電壓、過電流、短路和過熱等故障檢測(cè)電路，并可將故障信號(hào)送到 CPU 或 DSP 作保護(hù)處理。 IPM 由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)， IPM 也可以自身不受損 壞。 IPM 的內(nèi)，其具有下面主要特點(diǎn) ： （ 1) 開關(guān)速度快 IPM內(nèi)的 IGBT芯片都選用高速型，而且驅(qū)動(dòng)電路緊靠 IGBT芯片，驅(qū)動(dòng)延時(shí)小，所以 IPM 開關(guān)速度快，損耗小。 （ 2) 低功耗 IPM 內(nèi)部的 IGBT 導(dǎo)通壓降低，開關(guān)速度快，故 IPM 功耗小。 （ 3) 快速的過流保護(hù) IPM 實(shí)時(shí)檢測(cè) IGBT 電流，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載或直接短路時(shí)，IGBT 將被軟關(guān)斷，同時(shí)送出一個(gè)故障信號(hào)。 （ 4) 過熱保護(hù)在靠近 IGBT 的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)基板過熱時(shí)，IPM 內(nèi)部控制電路將截止柵級(jí)驅(qū)動(dòng)，不響應(yīng)輸入控制信號(hào)。 （ 5) 橋臂對(duì) 管互鎖在串聯(lián)的橋臂上，上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互鎖。有效防止上下臂同時(shí)導(dǎo)通。 （ 6) 抗干擾能力強(qiáng)，優(yōu)化的門級(jí)驅(qū)動(dòng)與 IGBT 集成，布局合理，無外部驅(qū)動(dòng)線。 （ 7) 驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)當(dāng)?shù)陀隍?qū)動(dòng)控制電源 (一般為 15V)就會(huì)造成驅(qū)動(dòng)能力不夠，增加導(dǎo)通損壞 IPM 自動(dòng)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電源，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^ 10 s? 時(shí)，將截止驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 （ 8) IPM 外圍電路少 （ 9) 無須采取防靜電措施。 （ 10) 大大減少了外接元件數(shù)目，使得體積相應(yīng)小 IPM 的參數(shù)選擇 IGBT 正反向峰值電壓： VUV m 537380*22 ??? 式 （ 47） 考慮 ~ 倍安全系數(shù)，取耐壓值為 1200V。 通態(tài)峰值電流 ： AAII Nm *2*222 ??? 式 （ 48） 考慮 ~ 倍安全系數(shù)，取電流額定為 25A。 有以上 IGBT 參數(shù)計(jì)算，可選用型號(hào)為 PS21865 的 IPM。 控制 電路 本變頻器采用的微控制器 — TMS320LF2407 是 TI 公司專為數(shù)字電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的一款低成本、低功耗、高性能的 DSP 芯片。其處理速度高達(dá) 30MIPS，采用哈佛結(jié)構(gòu)，流水線作 業(yè)，其基本特性有： （ 1） 指令周期縮短至 33ns，大大提高了芯片的實(shí)時(shí)控制能力； （ 2） 指令豐富，靈活。以往需要幾條指令組合才能完成的計(jì)算現(xiàn)在單條指令即可完成 。 安徽工程科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 （ 3） 提供了兩個(gè)事件管理器模塊 EVA 和 EVB。每一個(gè)事件模塊包括兩個(gè) 16 位通用定時(shí)器； 8 個(gè) 16 位脈寬調(diào)制 PWM 通道， 3 個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路?？梢援a(chǎn)生對(duì)稱和非對(duì)稱的 PWM 波形；當(dāng)引腳 PDPINTx 出現(xiàn)低電平時(shí)， DSP 將立即關(guān)閉 PWM 輸出；可編程的 PWM 死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。事件管理器模塊使得此款 DSP 非常適合于交流異步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和逆變器的控制。 TMS320LF2407 最小系統(tǒng)是指在盡可能少的外圍電路條件下，形成一個(gè)使 DSP 能夠正常運(yùn)行的最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。 F240 內(nèi)部有程序存儲(chǔ)器，因而最小系統(tǒng)可由 DSP 本身或EEPROM、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、晶振管、譯碼電路組成。當(dāng)采用外部存儲(chǔ)器時(shí)，由于F240 采用 20MHz 時(shí)鐘頻率，即時(shí)鐘周期為 50ns，對(duì)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度要求較高，當(dāng)不用等待狀態(tài)存取時(shí)，要求存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度小與 18ns；當(dāng)差入一個(gè)等待狀態(tài)時(shí)，要求存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度小于 68ns。 下面對(duì)部分電路進(jìn)行介紹 。 電源電路 TMS320LF2407 可工作在 ，降低功耗的同時(shí)也在一定程度上提高了數(shù)據(jù)處理速度。 如圖 43 為輸入電壓 15V，輸出為 5V電壓的轉(zhuǎn)換電路圖。 圖 44 為輸入電壓 5V，輸出為 電壓的轉(zhuǎn)換電路圖。 圖 43 5V電源 圖 44 劉桂林：異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 18 時(shí)鐘電路 DSP 工作時(shí)必需有外部器件給其提供時(shí)鐘信號(hào)， TMS320LF2407 有兩個(gè)時(shí)鐘管腳XTAL1/CLKIN 和 XTAL2。其中 XTALl/CLKIN 是 PLL 振蕩器輸入引腳， XTAL2 是晶振、 PLL 振蕩器輸出引腳。給 DSP 提供時(shí)鐘信號(hào)有兩種方法。兩種時(shí)鐘電路分別如 圖45， 圖 46。 圖 45 是利用外部振蕩器時(shí)鐘源，旁路 DSP 內(nèi)部晶體振蕩器。將外部時(shí)鐘源，即封裝好的晶體振蕩器自接輸入 XTALl/CLKIN 引腳， XTAL2 懸空。這種方法簡(jiǎn)單方便。 圖 46 利用 DSP 芯片內(nèi)部提供的片內(nèi)振蕩器，即在 XTALl/CLKIN 與 XTAL2 之間連接一個(gè)石英晶體， XTALl/CLKIN 腳向 DSP 送入一個(gè)頻率與晶體標(biāo)稱值相同的時(shí)鐘。其電容在 1030pF 范圍內(nèi)取值，當(dāng)多個(gè) DSP 要以 同步時(shí)鐘上作時(shí)，只能 采用該方式。另外石英晶體的體積一般時(shí)鐘源小 ， 可以減小電路板面積，本系統(tǒng)采用該方法，TMS320LF2407 的時(shí)鐘頻率為 40M，內(nèi)部鎖相環(huán)最大可以倍頻 4 倍，本系統(tǒng)采用 10MHz石英晶體，經(jīng)過內(nèi)部信頻后得到 40MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，這樣可以降低石英晶體到 DSP連線上的振蕩頻率，減小其對(duì)系統(tǒng)的干擾。 D S PX T A L 1X T A L 21 0 M234 15 vG N D 圖 45 采用外部接振蕩器的時(shí)鐘電路 D S PX T A L 1X T A L 2G N D1 0 MC 1C 2 圖 46 片內(nèi)振蕩器的時(shí)鐘電 路 根據(jù)不同的外部晶振頻率，需 要搭配不同的外部濾波環(huán)節(jié)，如圖 37，這樣 可以將時(shí)鐘頻率的不穩(wěn)定性最小化。本文使用的 10M 晶振，選擇 R1=16 歐姆 ， C1=033μf，C2=16pF 。 復(fù)位電路 在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，一般應(yīng)從兩種復(fù)位的需要去考慮，一個(gè)是上電復(fù)位 ；另一個(gè)是工 作中的復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)剛接通電源時(shí)，復(fù)位電路應(yīng)處于低電平以使系統(tǒng)從一個(gè)初始狀態(tài)開始上作，這段低電平時(shí)間應(yīng)該大于系統(tǒng)的晶體振蕩器起振時(shí)間。以便避開振蕩器起振時(shí)的非線性特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。通常，晶振需要 100200ms 的穩(wěn) 定時(shí)間，則上電復(fù)位時(shí)間應(yīng)該大于等于 200ms。 工作中復(fù)位則要求復(fù)位的低電平至少保持 6 個(gè)時(shí)鐘周期，以使芯片的初始化能夠正確的完成。 這里采用簡(jiǎn)單的 RC 復(fù)位電路如圖 47 所示： 安徽工程科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 47 復(fù)位電路 擴(kuò)展存儲(chǔ) 器 TMS320LF2407 芯片僅僅含有 544 字的片內(nèi) DRAM，這樣小的內(nèi)存遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到系統(tǒng)的需求，所以需要擴(kuò)展系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，不同于一般的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，電力電子裝置的開關(guān)管需要以高頻開通與關(guān)斷，這樣就需要盡量減小控制程序運(yùn)行時(shí)間，所以應(yīng)該選擇高速外部存儲(chǔ)器，以減少讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)間 。本系統(tǒng)選擇了高速存儲(chǔ)芯片IS61LV6416 其數(shù)據(jù)寬度為 16 位，容量為 12K，存儲(chǔ)時(shí)間為 10ns。 圖 48 為外部存儲(chǔ)器。 TMS320LF2407 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的地址空間是獨(dú)立的，訪問外部存儲(chǔ)器的時(shí)候， P/S 引腳和 D/S 引腳來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和程序存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)訪問片外程序地址空間時(shí)， DSP 自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)訪問外部程序地址空間的信號(hào) P/S， 即 P/S 引腳變?yōu)榈碗娖健．?dāng)訪問片外數(shù)據(jù)地址空間時(shí)， DSP 自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)訪問外部數(shù)據(jù)地址空間的信號(hào) D/S， 即D/S 引腳變?yōu)榈碗娖健? 劉桂林：異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 20 圖 48 外部存儲(chǔ)器 通訊電路組成 DSP 需要接受頻率、波形給定數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過單片機(jī)或者 PC 機(jī)的人機(jī)界面獲得的， DSP 需要和單片機(jī)或者 PC 機(jī)通訊以得到這些數(shù)據(jù)用于實(shí)現(xiàn)需求的輸出電壓。TMS320LF2407 內(nèi)部包含了串行通信接口 SCI 模塊。 SCI 模塊支持 CPU 與其它使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。 SCI 模塊的 SCI 接收器和發(fā)生器是雙緩沖的，每一個(gè)都有它自己?jiǎn)为?dú)的使能和中斷標(biāo)志。兩者都 可以 獨(dú)立上作，或者在全雙上的方式下同時(shí)上作。 SCI 模塊有兩個(gè)外部引腳 SCIRXD， SCITXD 分別用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。模塊內(nèi)部有一個(gè)發(fā)送 數(shù)據(jù)緩沖 區(qū) 和一個(gè)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于存放需要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)，通過一個(gè)移位寄存器將外部引腳上的數(shù)據(jù)移位存放到緩沖區(qū)中。另外還有一個(gè)波特率發(fā)生器和 SCI 控制寄存器用于控制串行通訊的方式。 本系統(tǒng)采用 RS232 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)相互間的通訊。 RS232 是美國電子上業(yè)協(xié)會(huì)于 1960年發(fā)布的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn) ， 目 前廣泛應(yīng)用的是 RS232C 和 RS232D 標(biāo)準(zhǔn)， RS232C 的標(biāo)準(zhǔn)連接是 DB25，但在實(shí)際應(yīng)用中采用非標(biāo)準(zhǔn)的 DB9 連接，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要對(duì)定義的引腳進(jìn)行取舍。 如圖 49 所示為 RS232 的引腳圖 安徽工程科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 數(shù) 傳 機(jī)就 緒發(fā) 送 請(qǐng) 求清 除 發(fā) 送指 示 器載 波 檢 測(cè)接 受 數(shù) 據(jù)發(fā) 送 請(qǐng) 求數(shù) 據(jù) 終 端 就 緒G N D678912345 圖 49 RS232引腳定義 RS232 電氣特性最大的特點(diǎn)是采用了負(fù)邏輯，邏輯 1 的電平是 3~+15V，邏輯 0 的電平是 3V~15V，因此在使用中有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換的問題。在本文中采用自升壓的集成芯片 MAX232 來構(gòu)成。 由 于 TMS320LF2407 采用 供電，所以在 MAX232 和TM