【導讀】在調(diào)速方面一直處于性能不佳的狀態(tài)。然而，變頻技術的出現(xiàn)改善了交流電機的。們研究和討論的范圍。作為高新技術之一的變頻技術是重要的節(jié)能和環(huán)保技術，產(chǎn)品，在我國工農(nóng)業(yè)等各方面有著極其重要的地位?？刂萍夹g對交流電機實現(xiàn)恒壓頻比控制，電機變頻調(diào)速的理論。給出了系統(tǒng)各部分硬件電路的工作原理、參數(shù)計算以及各部分器件的選取。系統(tǒng)硬件電路主要由主電路、系統(tǒng)保護電路和控制電路組成。主電路部分包括整。護、限流啟動、IPM故障保護等;控制電路包括DSP最小系統(tǒng)電路。體使用DSP編寫產(chǎn)生SPWM波形程序的步驟以及一些相關寄存器的設置。

　　

【正文】 介紹各個保護裝置。 湖南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 23 圖 34 IPM 接口電路 圖 35系統(tǒng)的保護電路 湖南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 24 過壓、欠壓保護電路 系統(tǒng)中設置了直流電壓過壓、欠壓保護電路。因為 IGBT 集射極耐壓及承受反壓的能力有限，而我國電網(wǎng)電壓的線性度較差，電壓會有一定的波動范圍，這會導致直流回路過壓或欠壓，因此應設置直流電壓過壓、欠壓保護電路，如圖 36所示。 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。光電 耦 合器是用來抑制輸入信號的共模干擾。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 地”與“數(shù)字地”斷開。被測信號通過光電耦合獲得通路，而共模干擾由于不能形成回路而得到有效抑制。注意在這里的隔離光耦是工作在線性工作區(qū)內(nèi)。 圖 36過壓、欠壓保護電路 (1)工作原理 在過 (欠 )壓保護中，當采樣電壓高 (低 )于保護參考點 V2 (V1)，則 OVH(OVL)輸出低電平，與其它故障信號相與后送入 DSP的 /PDPINTA中斷 a，當 DSP的 }PDPINTA管腳接收到低電平信號， DSP 將做出相應的中斷處理，立即封鎖 PWM 輸出及停止運行。 (2)保護點參數(shù)選擇，設置電網(wǎng)電壓士 10%為允許的電壓變化范圍。 欠壓保護電壓 :U1 = ?DCPU (110%} = 311? (110%) = 280V ( 316） 過壓保護電壓 。U2= ?DCPU (1+10%}=311? (1+10%)=342V (317) 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湖南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 25 很大的，過大的沖擊電流將可能使整流橋的二極管損壞。因此為了保護整流橋，在主電路上串接入限流電阻 R1，當濾波電容上的電壓達到電機正常運行的 65%時，電壓繼電 器常開觸頭閉合，將電阻 y 短路，結束限流起動過程，進入正常運行狀態(tài)。 工作原理與過壓、欠壓保護才目類似。控制信號也是從主回路濾波電器兩端取出，經(jīng)電阻 EZ2。 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。當采樣信號高于參考電壓，則運放輸出高電平，三極管 Q1導通，電壓繼電器動作，其常開觸點閉合，將 R1短路。 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。如果丁 M 模塊其中有一種保護電路動作， IGBT 柵極驅(qū)動單元就會關斷電流， 并輸出一個故障信號 Fo。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 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，則軟關斷 IGBT。并輸出過流保護故障。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致誤動作。同時 還具有防止誤動作閉鎖功能，在保護動作閉鎖期間，即使有控制信號輸入， IGBT 也不工作。 （ 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。如果集電極電流超過容許值，則立即關斷 IGBT。輸出短路保護故障。短路保護及過電流保護實際上均是對 IGBT 的集電極電流進行檢測，無論哪個 IGBT發(fā)生異常都可保護，由于電流檢測內(nèi)置，故無需另加檢測元件。 欠壓 驅(qū)動 過濾 短路 過溫 溫度控制 湖南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 26 （ 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，該功率器件會關斷 IGBT 并輸出故障信號。當控制電源電壓小于允許的下 限電壓時，則 IGBT 關斷，輸出故障信號。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。欠壓保護采用滯環(huán)控制方式，即當 Vcc 恢復至上限值時，且輸入信號為 OFF，則解除報警。 (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。當檢測出溫度超越保護溫度值 (OT)，過熱保護動作， IGBT 被軟關斷。當溫度降至復位溫度，且輸入信號為 OFF，則解除報警。 (5)抱警輸出功能 在下橋臂側(cè)各種保護動作閉鎖期間，輸出 報警信號，如控制輸入為 ON 狀態(tài)，即使閉鎖期已結束，報警輸出功能也不復位，等到控制輸入變?yōu)?OFF 時，報警復位，保護動作解除。 注意 :IPM 內(nèi)含的保護并不是對付反復出現(xiàn)的故障，因此，不要加有長期超過最大額定值的負載。輸出故障信號 F 后，應立即送入控制處理器 DSP 的中斷口/PDPINTA 產(chǎn)生中斷，停止運行并封鎖送到 IPM 的輸入信號，在排除了故障之后再啟動運行。電源上電時應先接通控制電源 Ucc，然后再加主電源。如果先加主電源，則可能在保護功能還未起作用時， IPM 已損壞。由于 IPM 大多工作在 PWM 信號控制的高頻開關狀 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。 TMS320LF2407A 是 TI 公司面向電機控制推出的一款定點型 DSP 處理器，其特點可歸結如下 : (1)采用高性能靜態(tài) CMOS 技術，使得供電電壓降為 3. 3V，減小了處理器的功耗 。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。 (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。 (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。 (4) SCI/SPI 引導 ROM. (5)兩個事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個管理器模塊包括 :兩個 16 位通用定時器， 8 個 16 位的脈寬調(diào)制 PWM 通道，可以實現(xiàn)三相反相控制、 PWM 的中心或邊湖南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 27 緣校正、當外部引腳 PDPINTX 出現(xiàn)低電平時快速關閉 PWM 通道 。防止擊穿故障的可編程的 PWM 死區(qū)控制 。對外部時間進 行定時捕獲的 3 個捕獲單元 。片內(nèi)光電編碼器電路 。16 通道的同步 A/D 轉(zhuǎn)換器。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、開關磁阻電機、多級電機和逆變器。 (6)可擴展的外部存儲器總共 192K 字的空間，分別為 64K 程序存儲空間 64K數(shù)據(jù)存儲空間、 64K 字的 I/0 空間。 (7) 10 位 AD轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為 375ns, 8 個或 16 個多路復用的通道，可選擇由兩個事件管理器或軟件觸發(fā)。 (8) 模塊，即控制器局域網(wǎng)模塊。 (9)串行通信接口 SC 工模塊。 (10)16位串行外部設備接 口 SP工模塊。 (11)看門狗定時器模塊基于鎖相環(huán) PLL 的時鐘發(fā)生器。 (12)高達 41個可單獨編程或復用的通用輸入輸出引腳。 (13) 5 個外部中斷，其中 2 個驅(qū)動保護， 1個復位中斷和兩個可屏蔽中斷。 (14)電源管理，具有 3 種低功耗模式，能獨立地將外圍器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。 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 最小系統(tǒng)的設計是 DSP 硬件設計中的最基本，也是最重要的一步。它 主要包括 :電源電路、時鐘電路、復位電路、仿真接頭、擴展 SRAM 等。DSP最小系統(tǒng)框圖如圖 38所示。 圖 38 JTAG 接口 DSP TMS320LF2407A 電源監(jiān)控 時鐘 復位 程序 數(shù)據(jù) EEPROM 電平變換 湖南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 28 DSP 外圍接口電路設計 串行接口電路如圖 39，我們通過一片 MAX232 構成串行通信接口。 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/T工 A232E 的電壓等級。接收器將 EIA/T 工 A232E 標準的輸入電平轉(zhuǎn)換成5VTTL/CMOS 電平。接收器的典型臨界值是 ，典型磁滯是 。發(fā)送器將TTL/CMOS 輸入電平轉(zhuǎn)換成 EIA/TIA232E 電平。這樣就可以實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信。 圖 39串口電路圖 2. CAN 總線接口 UC5350 是 CAN 協(xié)議控制器和物理總線的接口，對總線提供不同的發(fā)送能力和對 CAN 控制器提供不同的接收能力，完全和 IS011898 標準兼容，并具有對電池和地的短路保護功能。圖 310 是 CAN 總線接口電路。 圖 310 CAN 總線接口電路 湖南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 29 第四章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計 系統(tǒng)控制能力的優(yōu)劣很大程度取決于軟件可靠性和通用性之外，滿足實時性的前提下，還要具有很好的實時性，控制軟件還應具有靈活性。本系統(tǒng)軟件采用了自上而下、從整體到局部的設計思想，采用模塊化設計方案，使程序思路清晰，可讀性強。 DSP 生成 SPWM 波形 (1)控制寄存器設置 控制寄存器是指為產(chǎn)生 SPWM 波而需要設置的事件管理器 (EUA)中的特殊功能寄存器。為了得到期望中的理想波形輸出，不但要求有正確的算 法，正確地設置控制寄存器同樣也是極其關鍵的。控制寄存器的設置順序為 : a設置定時周期寄存器 T1PR。 b設置死區(qū)時間控制寄存器 DB TCON。 c初始化 GMPRx Cx=1, 2, 3)。 d設置比較控制寄存器 GOMCON。 e設置定時器工控制寄存器 T1CON。 f在每個采樣周期重寫 CMPRx (x=1. 2, 3)。 （ 2) DSP 生成 SPWM 波的基本設計思想利用 TMS320LF2407A 生成 SPWM 波的基本設計思想是利用 DSP 的事件管理器 (EUA)中的 3 個比較單元、通用定時器么死區(qū)發(fā)生單元以及輸出邏輯來 生成三相六路 SPWM 波，經(jīng) 6 個復用的 IO引腳輸出， EVA 內(nèi)部 PWM 生成電路框圖如圖 441所示。 TMS320LF2407A 的定時器有 4種工作方式，當以如圖 42所示的持續(xù)向上 /下計數(shù)方式工作時，將產(chǎn)生對稱的 PWMl 波輸出。在這種計數(shù)方式下，計數(shù)器的值由初值開始向上跳增，當?shù)竭_ T1PR 值時，開始遞減跳變，直至計數(shù)器的值為零時又重新向上跳增，如此循環(huán)往復。在計數(shù)器跳變的過程中，計數(shù)器的值都與比較寄存器 CMPRxCx =1, 2 ,的值作比較，當計數(shù)器的值與任一比較寄存 器的值相等，則對應的該相方波輸出發(fā)生電平翻 轉(zhuǎn)，如圖 442所示，在一個周期內(nèi)，輸出的方波將發(fā)生兩次電平翻轉(zhuǎn)。從圖 442還可以看 出插入死區(qū)時間后波形的變化情況，死區(qū)的寬度從 {012}s 可調(diào)。系統(tǒng)中考慮到所用功率器件的開通和關斷時間 (最大關斷時間為設定 PWM 波的死區(qū)時間為 ，只要在每個脈沖周期根據(jù)在線計算改寫比較寄存器 CMPR 的值，就可實時地改變 PWM 脈沖的占空比。 湖南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 30 內(nèi)部總線 PWM1 D DTDH1 PWM2 DTDH2 PWM3 DTDH3 PWM4 DTDH4 PWM5 DTDH5 PWM6 DTDH6 PD PINT RS 圖 41PWM 生成電路框圖 通用定時器 1 比較單元 1 比較單元 2 比較單元 3 脈沖模擬產(chǎn)生器 對稱 PWM 不對稱 PWM 空間矢量 PWM 死區(qū)配置寄存器 死區(qū)單元 輸出邏輯 湖南科技大學畢業(yè)設計 (論文 ) 31 圖 42對稱 PWM 波產(chǎn)生機理