【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】 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。 (2)控制信號(hào)輸入 控制電路電流 DI 與開關(guān)頻率 kf 有關(guān)、見表 31，因此控制端加一個(gè)上拉電阻。上拉電阻應(yīng)盡可能小以避免高阻抗 IPM 拾取噪聲，但又要足夠可靠地控制 IPM. 表 31控制端電流與開關(guān)頻率的關(guān)系 單位 mA N端 P端 DC 20kHz DC 20kHz 型號(hào) Typ. Max. Typ. Max. Typ. Max. Typ. Max. PM10RSH120 18 25 23 32 7 10 8 12 在 PWM 信號(hào)輸入端必須用高速光 耦 進(jìn)行隔離，一般取光 耦 的開關(guān)速度 PLHt PHLt ? S、共模抑制比 CMR skv?10 ，通常的型號(hào)有 :HCPL4504, TLP559, 6N136，并且在光 耦 輸出端接一個(gè)退 耦 電容。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 24 頁 共 43 頁 24 故障信號(hào) F 使用時(shí)必須注意，當(dāng) TFO= 典型值 )有效時(shí)， IPM 會(huì)關(guān)斷開關(guān)并使輸入無效。在 F 結(jié)束后，自動(dòng)復(fù)位，同時(shí)使輸入有效。因而在 F 輸出時(shí)系統(tǒng)必須在 內(nèi)使 PWM 信號(hào)無效，等故障排除后方可重新有效。低速光 耦 可用于故障輸出端。 (3) IPM 的自保護(hù)功能 IPM 內(nèi)部集成自保護(hù)功能，共有 4 路保護(hù)，分別是上橋臂三路保護(hù) UFO,VFO I WFO，下橋臂公用保護(hù) F。每個(gè)保護(hù)都包括過溫、過流、欠壓、短路保護(hù)。如果其中有一種保護(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)，各個(gè)保護(hù)功能的工作情況將在保護(hù)電路中進(jìn)行介紹。 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)。 系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 雖然在 保 護(hù)模塊中己經(jīng)設(shè)有過流、過熱等保護(hù)，但為了提高系統(tǒng)的可靠性及更好的保護(hù) IGBT 管，我們?nèi)皂氃O(shè)置一套快速而準(zhǔn)確的保護(hù)環(huán)節(jié)以防止各種故障。在此，針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)過壓、欠壓保護(hù)、限流起動(dòng)、工 頻 故障保護(hù)等電路。所有的保護(hù)電路的故障信號(hào)輸出相與，所得的信號(hào)送 入 DSP 的 PDPINTA 中斷口，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。 電路如圖 35所示。 由于保護(hù)電路屬于系統(tǒng)的弱電控制部分，而故障信號(hào)又是從主電路中取出的，為保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定應(yīng)實(shí)行弱電和強(qiáng)電隔離，即使兩者之間既保持控制信號(hào)聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系。這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)保護(hù)電路的同時(shí)應(yīng)該考慮抗干擾問題。以下將分別介紹各個(gè)保護(hù)裝置。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 25 頁 共 43 頁 25 圖 34 IPM 接口電路 圖 35系統(tǒng)的 保護(hù)電路 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 26 頁 共 43 頁 26 過壓、欠壓保護(hù)電路 系統(tǒng)中設(shè)置了直流電壓過壓、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)致直流回路過壓或欠壓，因此應(yīng)設(shè)置直流電壓過壓、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 來 ， 也 就 是 把 “ 模 擬 圖 36過壓、欠 壓保護(hù)電路 地”與“數(shù)字地 ” 斷開。被測(cè)信號(hào)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)。 (1)工作原理 在過 (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） 過壓保護(hù)電壓 。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(jì) 第 27 頁 共 43 頁 27 限流啟動(dòng)電路 此電路是用來防止在開啟主回路時(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(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)，電壓繼電器常開觸頭閉合，將電阻 y 短路，結(jié)束限流起動(dòng)過程，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。 (1)工作原理 工作原理與過壓、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)過電流保護(hù)功能 欠壓 驅(qū)動(dòng) 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(jì) 第 28 頁 共 43 頁 28 通過檢測(cè) IGBT 集電極電流進(jìn)行過電流保護(hù)，如果集電極電流超過允許值(OC)，且持續(xù)時(shí)間大于 toff，則軟關(guān)斷 IGBT。并輸出過流保護(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，故無需另加檢測(cè)元件。 （ 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)控制的高頻開關(guān)狀態(tài)，且電流較大，溫度上升較快，即使有過熱保護(hù)功能，但急劇的溫度上升對(duì) IGBT 的安全不利。因此，散熱器的設(shè)計(jì)務(wù)必有充足的裕量保證管芯結(jié)基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 29 頁 共 43 頁 29 溫在額定值以內(nèi)。 控制電路的設(shè)計(jì) TMS320 系列 DSP 的體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，該系列 DSP 控制器將實(shí)時(shí)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。其中 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)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、開關(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。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 30 頁 共 43 頁 30 (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)是指既沒有輸入通道，也沒有輸出通道，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。 DSP 外圍接口電路設(shè)計(jì) 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。 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 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 31 頁 共 43 頁 31 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