基于ＤＳＰ和ＩＰＭ的變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種基于DSP和IPM的變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用“自舉”電路，采用DSP直接驅(qū)動(dòng)IPM，結(jié)構(gòu)緊湊。該系統(tǒng)已投入批量生產(chǎn)，并經(jīng)過(guò)數(shù)年連續(xù)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：DSP；IPM；變頻調(diào)速；硬件

引言

變頻調(diào)速技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。隨著電力電子控制技術(shù)及元器件的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)的集成度、智能化程度越來(lái)越高，硬件構(gòu)成也越來(lái)越緊湊、簡(jiǎn)單。DSP+IPM(智能功率模塊)就是變頻調(diào)速系統(tǒng)最新的發(fā)展方向之一。

在DSP+IPM構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，充分利用了DSP高速運(yùn)算、配置豐富及IPM控制信號(hào)接口簡(jiǎn)單、保護(hù)完善的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)元器件數(shù)大為減少、結(jié)構(gòu)緊湊，而性能及可靠性卻大為提高，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

筆者為某設(shè)備所做的一個(gè)變頻調(diào)速子系統(tǒng)就采用了DSP+IPM的結(jié)構(gòu)。

硬件設(shè)計(jì)

DSP和IPM

該系統(tǒng)工況為24小時(shí)連續(xù)工作制。要求受上位機(jī)控制，控制兩路電機(jī)的啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)速及加速度，同時(shí)將掉電及故障信號(hào)反饋給上位機(jī)。系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、保護(hù)功能完善、穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)輸入電壓為3中200VAC。控制的兩路電機(jī)功率分別為180W。根據(jù)以上要求，我們采用了DSP+IPM的硬件結(jié)構(gòu)。

因?yàn)橄到y(tǒng)要求實(shí)時(shí)控制兩路電機(jī)的運(yùn)行，我們選用了TI公司專(zhuān)為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的TMS320L2407A型DSP。該DSP采用了高性能靜態(tài)CMoS技術(shù)，時(shí)鐘頻率可達(dá)40MHZ，指令周期僅為25ns，可實(shí)現(xiàn)3.3V低功耗設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制要求。尤其值得一提的是該DSP具有用于電機(jī)控制的專(zhuān)用外圍配置一兩個(gè)事件管理模塊EVA和EVB，每個(gè)模塊包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位PWM通道；三個(gè)外部事件的時(shí)間標(biāo)記捕獲單元；可編程的死區(qū)時(shí)間以防止直通故障；在片位置編碼器接口電路；同步A/D轉(zhuǎn)換器等，可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路電機(jī)的控制。

因?yàn)樵撓到y(tǒng)輸入電壓為3φ200VAC，控制的兩路電機(jī)功率均為180W，考慮適當(dāng)裕量，我們選用了三菱公司第三代DIP-IPMPS21563(10A/600V)。三菱DIP-IPM是面向AC100～200V級(jí)小容量電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)、采用傳遞型封裝結(jié)構(gòu)、將功率電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路集成于一體的小型智能功率模塊，具有以下特點(diǎn)：

·3相AC變頻輸出電路搭載三菱第5代平面型IGBT和CSTBT(載流子蓄積層的溝槽型門(mén)極構(gòu)造雙極晶體管)功率芯片，實(shí)現(xiàn)更低損耗。

·采用自舉電路結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)單電源驅(qū)動(dòng)。

·內(nèi)置有IGBT驅(qū)動(dòng)電路，具有過(guò)載保護(hù)、控制電源欠壓保護(hù)功能。P側(cè)具有UV(控制電源欠壓)保護(hù)功能，但不輸出故障信號(hào)F。N側(cè)具有UV及SC(過(guò)載)保護(hù)功能，同時(shí)輸出故障信號(hào)F。

·內(nèi)置專(zhuān)用HVIC(高壓600VIC)，無(wú)需隔離絕緣電路(如光耦)，可由DSP或3V級(jí)單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

·輸入接口電路采用高電平驅(qū)動(dòng)邏輯，增強(qiáng)了模塊自保護(hù)能力。

系統(tǒng)輸入為3中200VAC，經(jīng)三相全橋整流為約270VDC供給IPM，并由270V進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生輔助電源，為DSP、上位機(jī)及IPM模塊提供控制電源。上位機(jī)接受主系統(tǒng)控制，對(duì)DSP發(fā)出2路電機(jī)起停、4級(jí)加速度及8級(jí)速度的控制信號(hào)，DSP根據(jù)上位機(jī)的控制信號(hào)產(chǎn)生兩組6路脈沖分別控制兩個(gè)IPM模塊，從而控制兩路電機(jī)的起停、加速度及轉(zhuǎn)速。兩路電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)軸編碼器反饋回上位機(jī)。IPM的故障信號(hào)反饋給DSP，DSP將故障信號(hào)及掉電信號(hào)反饋回上位機(jī)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

自舉電路

一般逆變電路中，因上臂3個(gè)IGBT的觸發(fā)脈沖的參考地是懸浮的，故上臂觸發(fā)脈沖需3組相互隔離的電源供電。下臂3個(gè)IGBT的觸發(fā)脈沖是共參考地的，只需一組供電電源。故共需多達(dá)4組相互隔離的電源。而三菱公司的DIP-IPM采用自舉電路結(jié)構(gòu)，可方便地實(shí)現(xiàn)單電源驅(qū)動(dòng)。工作原理為：當(dāng)DIP—IPM起動(dòng)時(shí)，先給下臂IGBT發(fā)出足夠的充電脈沖數(shù)或足夠?qū)挼膯蝹€(gè)脈沖，開(kāi)通下臂(N側(cè))的IGBT，使下臂的供電電源通過(guò)IPM的內(nèi)部充電路徑使上臂的3個(gè)自舉電容完全充電，從而給上臂的3個(gè)IGBT的觸發(fā)脈沖供電。然后才開(kāi)始發(fā)出PWM控制脈沖。自舉電路充電路徑如圖2所示。

自舉電容c，的容值計(jì)算公式為C1=I_BS×T₁/△V，式中T₁為上臂IGBT的最大通態(tài)(ON)脈寬，I_BS為IC的驅(qū)動(dòng)電流(考慮溫度和頻率特性)，△V為允許的放電電壓。注意，用該式計(jì)算出的自舉電容容值應(yīng)是最小值，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)增加一定裕量。

自舉電阻R₂的阻值選擇應(yīng)滿(mǎn)足下述條件：時(shí)間常數(shù)R2×C1能使放電電壓(△V)在下臂IGBT的最小導(dǎo)通脈寬(T₂)內(nèi)被充電到C₁上。即R₂={(V_D-V_DS)×T₂}/(C₁×△V)，式中V_D為電源電壓，V_DS為自舉電容C₁上電壓。

自舉二極管選擇：對(duì)3φ200VAC電路，若電源輸入電壓波動(dòng)范圍取土30％，則三相全橋整流后直流電壓V_D=200×1.3×1.35=351(v)，取最小裕量為1.5，則自舉二極管耐壓應(yīng)為351×1.5=526.5(V)，取600V。故自舉二極管額定電壓最小應(yīng)為600V，因?yàn)镻WM載波頻率較高(最大為20kHz)，推薦選用快恢復(fù)二極管(反向恢復(fù)時(shí)間小于100nS)。

硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)筆者設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，硬件設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下方面，以提高系統(tǒng)抗干擾性，使之在強(qiáng)干擾的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)環(huán)境中能可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

·雖然DIP—IPM模塊可由DSP直接驅(qū)動(dòng)，但實(shí)際調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，在上電及對(duì)DSP進(jìn)行flash編程過(guò)程中，DSP的引腳有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不確定狀態(tài)，產(chǎn)生干擾脈沖導(dǎo)致IPM的上、下臂IGBT直通引起短路保護(hù)動(dòng)作。故我們?cè)贒SP到IPM的兩組觸發(fā)脈沖通道中分別加了一個(gè)八通道、雙電源3態(tài)門(mén)轉(zhuǎn)換收發(fā)芯片74LVC4245，該芯片的輸出使能端由一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)電路控制，如圖3所示。以確保在上電及對(duì)DSP進(jìn)行flash編程時(shí)不會(huì)有干擾脈沖誤觸發(fā)IPM。

·為防止信號(hào)振蕩，應(yīng)在各輸入端加RC退耦電路。RC容量的選擇要和PWM的載波頻率匹配，使得既能濾掉干擾信號(hào)，又不對(duì)觸發(fā)脈沖造成畸變。因?yàn)镈IP-IPM輸入部分Ic內(nèi)置2.5KΩ(min)下拉電阻，故RC中R阻值的選擇應(yīng)注意使分壓后的信號(hào)值滿(mǎn)足DIP—IPM的輸入電平閾值要求。

·DIP-IPM還有一個(gè)很實(shí)用的功能；短路保護(hù)。但要使該功能可靠發(fā)揮作用，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

(1)外部電流檢測(cè)電阻的信號(hào)回路必須設(shè)置RC濾波電路，以免短路保護(hù)誤動(dòng)作。RC時(shí)間常數(shù)的選擇要考慮IGBT的硬中斷能力，一般推薦為1.5～2gs，最大不超過(guò)6μs。時(shí)間常數(shù)過(guò)短可能引起短路保護(hù)誤動(dòng)作，過(guò)長(zhǎng)則可能超出IPM模塊的耐受能力，不能有效保護(hù)IPM模塊。

(2)外部電流檢測(cè)電阻應(yīng)為無(wú)感電阻，該電阻及其信號(hào)引線(xiàn)到IPM模塊對(duì)應(yīng)引腳的布線(xiàn)應(yīng)盡可能短，以免由引線(xiàn)電感干擾引起短路保護(hù)誤動(dòng)作。

結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)已批量生產(chǎn)上千臺(tái)，投入現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行三年多。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作良好。可以預(yù)計(jì)，DSP+IPM模式將是緊湊型變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。