【正文】 (a)調(diào)制頻率較低時(shí)的電流波形 (b)載波頻率較高時(shí)的電流波形 圖 212 SPWM 電流波形 SPWM 的調(diào)制方式有三種 :同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制。在變頻過程中艱口調(diào)制信號(hào)周期變化過程中，載波個(gè)數(shù)不變的調(diào)制稱為同步調(diào)制，載波個(gè)數(shù)才應(yīng)變化的調(diào)制稱為異步調(diào)制。對(duì)于三相系統(tǒng)，為了保證三相之間對(duì)稱，互差 0120 相位角，通常取載波頻率為 3 的整數(shù)倍。由于波形的左右對(duì)稱，這就不會(huì)出現(xiàn)偶次諧波問題。而且，此時(shí)載波的邊頻帶靠近信號(hào)波，容易干擾基波頻域。 (2)異步調(diào)制 異步調(diào)制方式是指在整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比都是變化的。但是由于載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，逆變器輸出電壓的波形其相位也會(huì)發(fā)生變化，很難保持三相輸出的對(duì)稱關(guān)系，因此會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的工作不穩(wěn)定。分段同步調(diào)制是指在一定的頻率范圍內(nèi)，采用同步調(diào)制，保持輸出波形對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)頻率降低較多時(shí)，使載波比分段有級(jí)的增加，這樣就利用了異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。幾其工作原理是把單相交流電壓通過不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷海骱蟮?脈動(dòng)電壓再經(jīng)過大電容 21,CC 平滑后成為穩(wěn)定的基于 DSP的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直流電壓。 系統(tǒng)保護(hù)電路包括過壓、欠壓保護(hù)、限流啟動(dòng)、 IPM 故障保護(hù)與泵升控制等。限流啟動(dòng)是由于開啟主回路時(shí)，大電容充電瞬間引起的電流過大，這樣可能會(huì)損壞整流橋，因此在主回路上串聯(lián)限流電阻 R1，當(dāng)電容電壓達(dá)到規(guī)定值 時(shí)，啟動(dòng)繼電器把 R1 短路，主回路進(jìn)入正常工作狀態(tài) 。把上述各種故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號(hào)送入 DSP (TMS320LF2407A)的 PDPINTA 故障中斷入口，進(jìn)而封鎖 DSP的 PWM 波輸出。最小系統(tǒng)由 DSP 本身和外擴(kuò)的數(shù)據(jù) SRAM,程序 SRAM、復(fù)位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接口 JTAG 電路組成， 仿真接口 JTAG 電路是為了實(shí)現(xiàn)在線仿真，同時(shí)在調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼 。光 耦 隔離電路是為了把 DSP輸出的弱電信號(hào)和主電路的強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行可靠隔離。主電路采用典型的交一直一交電壓源型通 用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級(jí)采用單相橋式不可控整流電路 RB1，整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容 (由 C1 到C4 電容組成 )濾波，獲得平滑的直流電壓。由于功率器件開關(guān)頻率過高，會(huì)產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來消除該尖峰。發(fā)光二極管 DS1 用來顯示濾波電容兩端的電量。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。大功率的，一般用三相 380V 電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。 整流二極管的計(jì)算，通過二極管的峰值電流 : AI N m ???? (31) 流過二極管電流的有效值 : AtdII mD )(3601 m1800 2 ??? ? ? (32) 二極管電流定額 : AII Dn ~)3~2( ?? = 一 (33) 考慮濾波電容的充電電流影響，要有更大的電流裕量，選用 AIN 10? 整流二極管的電壓定額 : )(933~6222202)3~2()3~2( VUU mn ????? (34) 選用認(rèn) = 1000V。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲(chǔ)能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲(chǔ)能電容器。又設(shè)電源功率因數(shù)為 ，那么每一個(gè)周期， 電容吸收的能量為 : )(21 2m in2 UUCnfPE pkmO U T ??? (37) 式中 OUTP 為電機(jī)輸出功率， pkU 為峰值電壓， minU 為最小交流輸入電壓。并聯(lián)在 電容兩端的為均衡電阻，由于電容的各個(gè)參數(shù)不是完全相同，此均衡電阻使串聯(lián)的電容分壓相同，同時(shí)在電源關(guān)斷時(shí)，給電容提供一個(gè)放電回路，此基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 21 頁 共 43 頁 21 電阻阻值選用 47 ?k 。 由于濾波電容的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行，如果濾波電容沒有快速放電的回路，其放電時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)數(shù) 分鐘。 逆變電路 逆變電路的功率開關(guān)器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)為核心的智能功率模塊 (IPM) 。IGB T 具有耐壓高、電流大、開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、控制功率小等特點(diǎn)。目前的 IPM 一般采用 IGBT 作為大功率開關(guān)器件。該電流傳感器是射極分流式采樣，電阻上流過的電流很小，且與開關(guān)流過的大電流成確定比例關(guān)系，從而可代替一般要外接的電流互感器，如霍爾電流傳感器等檢測(cè)元件。 采用單電源邏輯電壓輸入優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)，實(shí)行 RTC(實(shí)時(shí)邏輯柵區(qū) )控制模式。帶 RC 信號(hào)干擾抑制和電源干擾抑制。只要有一個(gè)保護(hù)電路起作用， IGBT 的門極驅(qū)動(dòng)電路即關(guān)閉，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)，可送至 DSP進(jìn)行相應(yīng)處理。內(nèi)含續(xù)流二極管 。 (2) IPM 的選取 IGBT 正反向峰值電壓為 : 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 22 頁 共 43 頁 22 AUU m 3 1 12 2 022 ???? (39) IGBT 電壓定額為 : AUmU d 5 6 03 1 ??????? (310) 式中 :— 安全裕量 — 考慮大電容濾波后的電感升高系數(shù) IGBT 通態(tài)峰值電流為 : AI N m ???? (311) IGBT 電流定額為 : ???dI = = (312) 式中 :— 安全裕量 — 考慮電機(jī)的過載倍數(shù) 故可選用 l0A/600V 的 IPM 模塊，型號(hào)為 PM10RSH120 (3)續(xù)流電路 續(xù)流二極管的主要功能有 : 電動(dòng)機(jī)的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。當(dāng)頻率下降、電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生電流將通過續(xù)流二極管返回直流回路。在這交替導(dǎo)通和截止的換相過程中，也不時(shí)地需要續(xù)流二極管提供通路。諧波的減少取決于逆變電路功率元件的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時(shí)間的限制。因此，必須全面衡量后再確定采用 IPM 的逆變電路的開關(guān)頻率。 驅(qū)動(dòng)電源 當(dāng)控制信號(hào) (柵極驅(qū)動(dòng) )與主電流共用一個(gè)電流路徑時(shí)，由于主回路有很高的di/dt，至使在具有寄生電感的功率回路產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而導(dǎo)致可能感應(yīng)到柵極把本來截止的 IGBT 導(dǎo)通。上橋臂每相各用一組電源，下橋臂三相共用一組。若電源電壓高于16. 5V，則 IGBT 因驅(qū)動(dòng)電源電壓過高，保護(hù)性能得不到充分的保證，高于 20V 時(shí)IGB T 管的柵極會(huì)損壞，因此絕對(duì)不能加如此高的電壓。典型的工作電壓一般取 15V. 制作驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，應(yīng)盡量降低紋波電壓，還要使電源的附加噪聲降到最小。 (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。 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。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。 (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。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。 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。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。 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。以下將分別介紹各個(gè)保護(hù)裝置。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。光電 耦 合器是用來抑制輸入信號(hào)的共模干擾。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。 (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。 欠壓保護(hù)電壓 :U1 = ?DCPU (110%} = 311? (110%) = 280V ( 316） 過壓保護(hù)電壓 。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)?？刂菩盘?hào)也是從主回路濾波電器兩端取出，經(jīng)電阻 EZ2。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。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。并輸出過流保護(hù)故障。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。如果集電極電流超過容許值，則立即關(guān)斷 IGBT。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。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)。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。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。 (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。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。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。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)。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 。 (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。 (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 。對(duì)外部時(shí)間進(jìn)行定時(shí)捕獲的 3 個(gè)捕獲單元 。16 通道的同步 A/D 轉(zhuǎn)換器。 (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。 (8) 模塊，即控制器局域網(wǎng) 模塊。 (10) 16 位串行外部設(shè)備接口 SP 工模塊。 (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。 (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 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。DSP最小系統(tǒng)框圖如圖 38所示。 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)。接收器的典型臨界值是 ，典型磁滯是