【正文】 發(fā)送器將TTL。接收器將 EIA/T 工 A232E 標準的輸入電平轉(zhuǎn)換成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 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 31 頁 共 43 頁 31 5VTTL/CMOS 電平。 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(gòu)成串行通信接口。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（ 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)。 (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。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 30 頁 共 43 頁 30 (11)看門狗定時器模塊基于鎖相環(huán) PLL 的時鐘發(fā)生器。 (9)串行通信接口 SC工模塊。 (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)。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(guān)磁阻電機、多級電機和逆變器。片內(nèi)光電編碼器電路 。防止擊穿故障的可編程的 PWM 死區(qū)控制 。 (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。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。 控制電路的設計 TMS320 系列 DSP 的體系結(jié)構(gòu)是專為實時信號處理而設計，該系列 DSP 控制器將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，為控制系統(tǒng)應用提供了理想的解決方案。由于 IPM 大多工作在 PWM 信號控制的高頻開關(guān)狀態(tài)，且電流較大，溫度上升較快，即使有過熱保護功能，但急劇的溫度上升對 IGBT 的安全不利。電源上電時應先接通控制電源 Ucc，然后再加主電源。 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。當溫度降至復位溫度，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。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。 （ 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(guān)斷 IGBT 并輸出故障信號。輸出短路保護故障。 （ 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。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。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 欠壓 驅(qū)動 過濾 短路 過溫 溫度控制 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 28 頁 共 43 頁 28 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(guān)斷 IGBT。 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。 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。 (1)工作原理 工作原理與過壓、欠壓保護才目類似。U2= ?DCPU (1+10%}=311? (1+10%)=342V (317) 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 27 頁 共 43 頁 27 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很大的，過大的沖擊電流將可能使整流橋的二極管損壞。 (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。注意在這里的隔離光 耦 是工作在線性工作區(qū)內(nèi)。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 圖 36過壓、欠 壓保護電路 地”與“數(shù)字地 ” 斷開。 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。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 25 頁 共 43 頁 25 圖 34 IPM 接口電路 圖 35系統(tǒng)的 保護電路 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 26 頁 共 43 頁 26 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。這就要求我們在設計保護電路的同時應該考慮抗干擾問題。 電路如圖 35所示。在此，針對這些問題，設計了系統(tǒng)過壓、欠壓保護、限流起動、工 頻 故障保護等電路。 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)。每個保護都包括過溫、過流、欠壓、短路保護。低速光 耦 可用于故障輸出端。在 F 結(jié)束后，自動復位，同時使輸入有效。上拉電阻應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 Typ. Max. Typ. Max. Typ. Max. Typ. Max. PM10RSH120 18 25 23 32 7 10 8 12 在 PWM 信號輸入端必須用高速光 耦 進行隔離，一般取光 耦 的開關(guān)速度 PLHt PHLt ? S、共模抑制比 CMR skv?10 ，通常的型號有 :HCPL4504, TLP559, 6N136，并且在光 耦 輸出端接一個退 耦 電容。可在控制電源輸出端接 10叮及 叮的濾波電容，保持電源平穩(wěn)，修正線路阻抗。若電源電壓低于 13. 5V, IGBT 驅(qū)動電源電壓不足，這時控制信號為無效操作。 驅(qū)動電源電壓在 13. 5V16. 5V 之間， IPM 能夠正常工作。因此 IPM 驅(qū)動電源需要采用四組隔離電源。本系統(tǒng)開關(guān)頻率選用 . 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 23 頁 共 43 頁 23 以 IPM 為功率器件的驅(qū)動電路 IPM 逆變驅(qū)動接口電路如圖 34所示仁上橋臂只以 U 相為例 )。 盡管智能功率模塊 IPM的開關(guān)頻率可達 10 20kHz，但在確定逆變電路開關(guān)頻率時，除了應使逆變電路輸出接近正弦波，還要考慮器件的開關(guān)損耗，以保證變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較高的效率。 (4)IPM 逆變器開關(guān)頻率的確定 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用 SPWM 逆變電路可以大大降低逆變電路輸出電壓的諧波，使逆變電路的輸出電流接近正弦波。 IGBT (Q1~Q6)進行逆變的基本工作過程 :同一橋臂的兩個逆變管，處于不停的 交替導通和截止的狀態(tài)。續(xù)流二極管為 無功電流返回直流電源提供“通道”。內(nèi)置驅(qū)動電路、保護電路和報警輸出電路。 三相橋臂 。 IPM 內(nèi)置各種保護功能。以嚴密的時序邏輯監(jiān)控保護，可防止 過電流、短路、過熱及欠電壓等故障發(fā)生。同時飽合壓降和開關(guān)速度之間的關(guān)系達到最優(yōu)化，具有足夠的安全工作區(qū)，能很好地滿足由控制 IC 給出的保護范圍。 (1) IPM 的主要特性 采用低飽和壓降，高開關(guān)速度，內(nèi)設低損耗電流傳感器的 IGBT 功率器件。而智能功率模塊仁 IPM)是將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路、保護電路、檢測電路等集成在同一個模塊內(nèi)，是電力集成電路 PIC 的 一種。 .IGBT 是 80 年代出現(xiàn)的新一代復合型電力電子器件，它集合了MOSFET 和 GTR 的優(yōu)點，適合于高速、低功耗的場合，如電機控制，開關(guān)電源等。又由于濾波電容上的電壓較高，如電荷不放完，將對人身安全構(gòu)成威脅。 電源指示 發(fā)光二極管 DS1 除了表示電源是否接通以外，還有一個十分重要的功能，即在主電路切斷電源后，顯示濾波電容上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。考慮到紋波的需要，最小的交流輸入電壓應該在 200V 以上，所以有 : FUUnf PC pk O U Tm ?47)202020( 602)( 2 222m i n2 ??? ???? (38) 濾波電容理論上講越大越好，實際中考慮價格我們選擇 4 個 450 伏 330 叮的電解電容，分別兩個并聯(lián)后再 2 個串聯(lián)，最后等效為一個耐壓 900 伏 330 叮的電容。 在沒有加入濾波電容時，單相整流橋輸出平均直流電壓為 : VUU ND 2972202323 ???? ?? (35) 加上濾波電容后， DU 的最高電壓可達交流線電壓的峰值 : VUU NDm 3 1 12 2 022 ????? (36) 假設輸入電壓的波動范圍為 200V ~240V，當輸入電壓對應 240V 的輸入，整流后的電壓為 324V。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器 之間起去耦 作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負載的電動機提供必要的無功功率。根據(jù)上面計 算的電壓和電流以及市場價格和供貨情況，實際基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 20 頁 共 43 頁 20 選用的單相整流橋為 10A, 1000V. 濾波電路 在整流電路中輸出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。本設計采用的是單相整流橋。小功率的，輸入電源多用 220V，整流電路為單相全波整流橋 。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 19 頁 共 43 頁 19 圖 32 主電路原理圖 下面詳細介紹各個部分電路及元件參數(shù) (被控電動機參數(shù)為 :△聯(lián)接，額定功率為 NP = 60W,額定電壓 NU =220V,額定電流 NI =,額定頻率 Nf = 50Hz，額定轉(zhuǎn)速 nN =1400r/min.) 整流電路 整流電路由 4 個整流二極管組成單相不可控整流橋，它們將電源的單相交流全波整流成直流。圖中 C5 為 C 型吸收電路， R6 到 R11 和 C6到 C11 組成 RC 型吸收電路。逆變部分通過功率器件 IGBT 的 導通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。 主電路的設計 主電路原理圖如圖 32 所示，由整流電路、濾波電路、逆變電路 (IPM)和 IPM的吸收電路組成。頻率輸入電路可以設置系統(tǒng)要輸出的SPWM波的頻率 。 控制電路包括 DSP 最小系統(tǒng)電路、頻率輸入電路、光 耦 隔離電路等。IPM 故障保護是 IPM 內(nèi)部集成的各種保護功能，包括過電流保護功能、短路保護功能、控制電源欠電壓保護和管殼及管芯溫度過熱保護。過壓，欠壓保護是利用電阻分壓采集母線電壓，與規(guī)定值相比較 。 IPM 逆變電路對該直流電壓進行斬波，形成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電，提供給電機。具體實現(xiàn)方法是把逆變器整個變頻范圍劃分為若干個 頻段，在每個頻段內(nèi)都維持載波比恒定，對于不同頻段取不同的載波比，頻率較低載波比取大點，一般有經(jīng)驗參數(shù)可取 . 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 17 頁 共 43 頁 17 3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設計 變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設計 本文設計的系統(tǒng)以 TI公司的 TMS320LF2407A為控制核心 ，其總體設計圖如圖 311 圖 31基于 DSP 的變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設計圖