【導(dǎo)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(shù)的出現(xiàn)改善了交流電機(jī)的。們研究和討論的范圍。作為高新技術(shù)之一的變頻技術(shù)是重要的節(jié)能和環(huán)保技術(shù)，產(chǎn)品，在我國(guó)工農(nóng)業(yè)等各方面有著極其重要的地位?？刂萍夹g(shù)對(duì)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒壓頻比控制，電機(jī)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(jì)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(hù)電路和控制電路組成。主電路部分包括整。護(hù)、限流啟動(dòng)、IPM故障保護(hù)等;控制電路包括DSP最小系統(tǒng)電路。體使用DSP編寫(xiě)產(chǎn)生SPWM波形程序的步驟以及一些相關(guān)寄存器的設(shè)置。

　　

【正文】 介紹各個(gè)保護(hù)裝置。 湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 圖 34 IPM 接口電路 圖 35系統(tǒng)的保護(hù)電路 湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路 系統(tǒng)中設(shè)置了直流電壓過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路。因?yàn)?IGBT 集射極耐壓及承受反壓的能力有限，而我國(guó)電網(wǎng)電壓的線性度較差，電壓會(huì)有一定的波動(dòng)范圍，這會(huì)導(dǎo)致直流回路過(guò)壓或欠壓，因此應(yīng)設(shè)置直流電壓過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路，如圖 36所示。 直流電壓保護(hù)信號(hào)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(lái)抑制輸入信號(hào)的共模干擾。利用光電 耦 合器把各種模擬負(fù)載與數(shù)字信號(hào)源隔離開(kāi)來(lái)，也就是把“模擬 地”與“數(shù)字地”斷開(kāi)。被測(cè)信號(hào)通過(guò)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(guò)壓、欠壓保護(hù)電路 (1)工作原理 在過(guò) (欠 )壓保護(hù)中，當(dāng)采樣電壓高 (低 )于保護(hù)參考點(diǎn) V2 (V1)，則 OVH(OVL)輸出低電平，與其它故障信號(hào)相與后送入 DSP的 /PDPINTA中斷 a，當(dāng) DSP的 }PDPINTA管腳接收到低電平信號(hào)， DSP 將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖 PWM 輸出及停止運(yùn)行。 (2)保護(hù)點(diǎn)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。 欠壓保護(hù)電壓 :U1 = ?DCPU (110%} = 311? (110%) = 280V ( 316） 過(guò)壓保護(hù)電壓 。U2= ?DCPU (1+10%}=311? (1+10%)=342V (317) 限流啟動(dòng)電路 此電路是用來(lái)防止在開(kāi)啟主回路時(shí)，由于儲(chǔ)能電容大，加之在接入電源時(shí)電容器兩端的電壓為零，故當(dāng)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 很大的，過(guò)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(hù)整流橋，在主電路上串接入限流電阻 R1，當(dāng)濾波電容上的電壓達(dá)到電機(jī)正常運(yùn)行的 65%時(shí)，電壓繼電 器常開(kāi)觸頭閉合，將電阻 y 短路，結(jié)束限流起動(dòng)過(guò)程，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。 工作原理與過(guò)壓、欠壓保護(hù)才目類似?？刂菩盘?hào)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(gè)光電隔離器。當(dāng)采樣信號(hào)高于參考電壓，則運(yùn)放輸出高電平，三極管 Q1導(dǎo)通，電壓繼電器動(dòng)作，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，將 R1短路。 IPM 故障保護(hù)電路 護(hù) M 有內(nèi)置保護(hù)電路以避兔因系統(tǒng)失控或過(guò)載而使功率器件損壞，內(nèi)置保護(hù)功能的框圖如圖 37 所示。如果丁 M 模塊其中有一種保護(hù)電路動(dòng)作， IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流， 并輸出一個(gè)故障信號(hào) Fo。以下介紹各個(gè)保護(hù)功能的工作情況 圖 37 IPM 內(nèi)部保護(hù)電路 (1)過(guò)電流保護(hù)功能 通過(guò)檢測(cè) IGBT集電極電流進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)，如果集電極電流超過(guò)允許值 (OC)，且持續(xù)時(shí)間大于 toff，則軟關(guān)斷 IGBT。并輸出過(guò)流保護(hù)故障。由于有 toff 這么長(zhǎng)時(shí)間的保護(hù)動(dòng)作延時(shí)瞬間過(guò)電流及噪聲不會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作。同時(shí) 還具有防止誤動(dòng)作閉鎖功能，在保護(hù)動(dòng)作閉鎖期間，即使有控制信號(hào)輸入， IGBT 也不工作。 （ 2)短路保護(hù)功能 過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)，短路保護(hù)將聯(lián)動(dòng)，能抑制因負(fù)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(guò)容許值，則立即關(guān)斷 IGBT。輸出短路保護(hù)故障。短路保護(hù)及過(guò)電流保護(hù)實(shí)際上均是對(duì) IGBT 的集電極電流進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)論哪個(gè) IGBT發(fā)生異常都可保護(hù)，由于電流檢測(cè)內(nèi)置，故無(wú)需另加檢測(cè)元件。 欠壓 驅(qū)動(dòng) 過(guò)濾 短路 過(guò)溫 溫度控制 湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 26 （ 3)控制電源欠電壓保護(hù) 如果某種原因?qū)е驴刂齐妷悍锨穳簵l件，該功率器件會(huì)關(guān)斷 IGBT 并輸出故障信號(hào)。當(dāng)控制電源電壓小于允許的下 限電壓時(shí)，則 IGBT 關(guān)斷，輸出故障信號(hào)。如果毛刺干擾時(shí)間小于規(guī)定的時(shí)間則不會(huì)出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作。欠壓保護(hù)采用滯環(huán)控制方式，即當(dāng) Vcc 恢復(fù)至上限值時(shí)，且輸入信號(hào)為 OFF，則解除報(bào)警。 (4)管殼及管芯溫度過(guò)熱保護(hù) 采用與 IGBT 續(xù)流二極管管芯裝在同一陶瓷基板上的測(cè)溫元件檢測(cè)基板溫度，同時(shí)采用與 IGBT 管芯在一起的測(cè)溫元件測(cè) IGBT 管芯溫度。當(dāng)檢測(cè)出溫度超越保護(hù)溫度值 (OT)，過(guò)熱保護(hù)動(dòng)作， IGBT 被軟關(guān)斷。當(dāng)溫度降至復(fù)位溫度，且輸入信號(hào)為 OFF，則解除報(bào)警。 (5)抱警輸出功能 在下橋臂側(cè)各種保護(hù)動(dòng)作閉鎖期間，輸出 報(bào)警信號(hào)，如控制輸入為 ON 狀態(tài)，即使閉鎖期已結(jié)束，報(bào)警輸出功能也不復(fù)位，等到控制輸入變?yōu)?OFF 時(shí)，報(bào)警復(fù)位，保護(hù)動(dòng)作解除。 注意 :IPM 內(nèi)含的保護(hù)并不是對(duì)付反復(fù)出現(xiàn)的故障，因此，不要加有長(zhǎng)期超過(guò)最大額定值的負(fù)載。輸出故障信號(hào) F 后，應(yīng)立即送入控制處理器 DSP 的中斷口/PDPINTA 產(chǎn)生中斷，停止運(yùn)行并封鎖送到 IPM 的輸入信號(hào)，在排除了故障之后再啟動(dòng)運(yùn)行。電源上電時(shí)應(yīng)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(hù)功能還未起作用時(shí)， IPM 已損壞。由于 IPM 大多工作在 PWM 信號(hào)控制的高頻開(kāi)關(guān)狀 態(tài)，且電流較大，溫度上升較快，即使有過(guò)熱保護(hù)功能，但急劇的溫度上升對(duì) IGBT 的安全不利。 TMS320LF2407A 是 TI 公司面向電機(jī)控制推出的一款定點(diǎn)型 DSP 處理器，其特點(diǎn)可歸結(jié)如下 : (1)采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，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(shí)時(shí)控制能力，使 LF2407A 可以提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(dá) 32K 字的 Flash 程序存儲(chǔ)器，高達(dá) 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(dǎo) ROM. (5)兩個(gè)事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個(gè)管理器模塊包括 :兩個(gè) 16 位通用定時(shí)器， 8 個(gè) 16 位的脈寬調(diào)制 PWM 通道，可以實(shí)現(xiàn)三相反相控制、 PWM 的中心或邊湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 緣校正、當(dāng)外部引腳 PDPINTX 出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉 PWM 通道 。防止擊穿故障的可編程的 PWM 死區(qū)控制 。對(duì)外部時(shí)間進(jìn) 行定時(shí)捕獲的 3 個(gè)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(shí)間管理器模塊適用于控制交流異步電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、多級(jí)電機(jī)和逆變器。 (6)可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共 192K 字的空間，分別為 64K 程序存儲(chǔ)空間 64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、 64K 字的 I/0 空間。 (7) 10 位 AD轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為 375ns, 8 個(gè)或 16 個(gè)多路復(fù)用的通道，可選擇由兩個(gè)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(shè)備接 口 SP工模塊。 (11)看門狗定時(shí)器模塊基于鎖相環(huán) PLL 的時(shí)鐘發(fā)生器。 (12)高達(dá) 41個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入輸出引腳。 (13) 5 個(gè)外部中斷，其中 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)， 1個(gè)復(fù)位中斷和兩個(gè)可屏蔽中斷。 (14)電源管理，具有 3 種低功耗模式，能獨(dú)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(méi)有輸入通道，也沒(méi)有輸出通道，同時(shí)也不與其它系統(tǒng)進(jìn)行通信的 DSP系統(tǒng)。 DSP 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是 DSP 硬件設(shè)計(jì)中的最基本，也是最重要的一步。它 主要包括 :電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、仿真接頭、擴(kuò)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(shí)鐘 復(fù)位 程序 數(shù)據(jù) EEPROM 電平變換 湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 28 DSP 外圍接口電路設(shè)計(jì) 串行接口電路如圖 39，我們通過(guò)一片 MAX232 構(gòu)成串行通信接口。 MAX232 是雙路驅(qū)動(dòng) /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(jí)。接收器將 EIA/T 工 A232E 標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)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(duì)總線提供不同的發(fā)送能力和對(duì) CAN 控制器提供不同的接收能力，完全和 IS011898 標(biāo)準(zhǔn)兼容，并具有對(duì)電池和地的短路保護(hù)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 第四章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 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(shí)時(shí)性的前提下，還要具有很好的實(shí)時(shí)性，控制軟件還應(yīng)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(shè)計(jì)思想，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，使程序思路清晰，可讀性強(qiáng)。 DSP 生成 SPWM 波形 (1)控制寄存器設(shè)置 控制寄存器是指為產(chǎn)生 SPWM 波而需要設(shè)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(shè)置控制寄存器同樣也是極其關(guān)鍵的?？刂萍拇嫫鞯脑O(shè)置順序?yàn)?: a設(shè)置定時(shí)周期寄存器 T1PR。 b設(shè)置死區(qū)時(shí)間控制寄存器 DB TCON。 c初始化 GMPRx Cx=1, 2, 3)。 d設(shè)置比較控制寄存器 GOMCON。 e設(shè)置定時(shí)器工控制寄存器 T1CON。 f在每個(gè)采樣周期重寫(xiě) CMPRx (x=1. 2, 3)。 （ 2) DSP 生成 SPWM 波的基本設(shè)計(jì)思想利用 TMS320LF2407A 生成 SPWM 波的基本設(shè)計(jì)思想是利用 DSP 的事件管理器 (EUA)中的 3 個(gè)比較單元、通用定時(shí)器么死區(qū)發(fā)生單元以及輸出邏輯來(lái) 生成三相六路 SPWM 波，經(jīng) 6 個(gè)復(fù)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(shí)器有 4種工作方式，當(dāng)以如圖 42所示的持續(xù)向上 /下計(jì)數(shù)方式工作時(shí)，將產(chǎn)生對(duì)稱的 PWMl 波輸出。在這種計(jì)數(shù)方式下，計(jì)數(shù)器的值由初值開(kāi)始向上跳增，當(dāng)?shù)竭_(dá) T1PR 值時(shí)，開(kāi)始遞減跳變，直至計(jì)數(shù)器的值為零時(shí)又重新向上跳增，如此循環(huán)往復(fù)。在計(jì)數(shù)器跳變的過(guò)程中，計(jì)數(shù)器的值都與比較寄存器 CMPRxCx =1, 2 ,的值作比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值與任一比較寄存 器的值相等，則對(duì)應(yīng)的該相方波輸出發(fā)生電平翻 轉(zhuǎn)，如圖 442所示，在一個(gè)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(shí)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(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間 (最大關(guān)斷時(shí)間為設(shè)定 PWM 波的死區(qū)時(shí)間為 ，只要在每個(gè)脈沖周期根據(jù)在線計(jì)算改寫(xiě)比較寄存器 CMPR 的值，就可實(shí)時(shí)地改變 PWM 脈沖的占空比。 湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(shí)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(duì)稱 PWM 不對(duì)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 圖 42對(duì)稱 PWM 波產(chǎn)生機(jī)理