TMS 32OF2812與DIP-IPM的通用電路設(shè)計(jì)

引言：
    隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，功耗與節(jié)能為電子技術(shù)提出了新的要求。在電力電子技術(shù)方面，交流電機(jī)的變頻調(diào)速更成了電機(jī)控制的主流，變頻調(diào)速是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。主要采用交流一直流一交流方式，即把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源。變頻調(diào)速技術(shù)憑借其節(jié)能降耗、改善工藝和提高控制精度等方面的優(yōu)點(diǎn)，使得變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)揮了交流電機(jī)本身固有的優(yōu)點(diǎn)，解決了交流電機(jī)調(diào)速性能先天不足的問題。本文先對(duì)TMS320F2812芯片和智能功率模塊進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，根據(jù)他們的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了通用變頻電路設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際的應(yīng)用中可以根據(jù)控制方式的需要，制定不同的控制方式，廣泛應(yīng)用于三相異步電機(jī)的SVPWM控制。

1 變頻調(diào)速方式
    交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1=60f/p，再根據(jù)異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率s=(n1-n)/n1，可知交流異步機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n=n1(1-s)=(1-s)60f/p，其中P為極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f為定子供電頻率，當(dāng)p和s為定植時(shí)，要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只需要改變f就可以了，根據(jù)控制方式的不同，一般可以分為三種調(diào)速方式：在變頻調(diào)速過程中保持定子電壓和定子供電頻率之比為常數(shù)，即恒磁通變頻調(diào)速，保持定子電流不變的恒流控制調(diào)速方式，保掙恒電磁通調(diào)速方式。
    在具體控制上，可以采用VVVF(Variable Voltagevariable Frequency)變頻或矢量控制變頻控制方式，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要實(shí)時(shí)采樣相電壓以及各相電流，根據(jù)控制方式的不同，可以選用不同的算法程序。

2 高速DSP芯片TMS320F2812介紹
    TMS320F2812DSP是德州儀器公司(TI)推出的一款32位高性能數(shù)字信號(hào)處理器，它是專為控制設(shè)計(jì)的高速DSP芯片，擁有峰值每秒運(yùn)行150萬條指令(MIPs)的處理速度和單周期完成32×32位MAC運(yùn)算的功能，再加上兩個(gè)事件管理器(EVA和EVB)、片上Flash以及片上RAM和AD轉(zhuǎn)換模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)快速的數(shù)字信號(hào)處理算法，在三相異步電機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛的被采用。
    (1)高性能的32位中央處理器
    主頻150MHZ(時(shí)鐘周期6．67ns)，低功耗(核心低壓1．8v，I／O口3．3v)，16位×16位和32位×32位乘且累加操作以及16位×16位的兩個(gè)乘且累加，統(tǒng)一的寄存器編程模式，可達(dá)4M字的線性程序地址和數(shù)據(jù)地址。
    (2)片內(nèi)存儲(chǔ)器
    8Kx16位的Flash存儲(chǔ)器
    1Kx16位的0TP型只讀存儲(chǔ)器
    L0和L1：兩塊4Kx16位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器(SARAM)
    HO：一塊8Kx16位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器
    M0和M1：兩塊1Kx16位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器
    (3)時(shí)鐘與系統(tǒng)控制
    支持動(dòng)態(tài)的改變鎖相環(huán)的頻率(PLL)
    片內(nèi)振蕩器
    看門狗定時(shí)器模塊
    CPU級(jí)和外設(shè)級(jí)中斷相結(jié)合的控制系統(tǒng)
    (4)豐富的外圍設(shè)備
    兩個(gè)事件管理器(EVA、EVB)
    串行外圍接口(SPI)
    兩個(gè)串行通信接口(SCI)，標(biāo)準(zhǔn)的UART
    改進(jìn)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ECAN)
    多通道緩沖串行接口(MCBSP)
    16通道12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)

3 智能功率模塊DIP-IPM
    三菱第五代IGBT芯片的DIP-IPM模塊是三菱公司總結(jié)前四代功率模塊的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，它彌補(bǔ)了以往功率模塊在使用和可靠性方面的很多不足，是專為三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的功率模塊。其特點(diǎn)如下：提高可靠性和馬達(dá)效率(死區(qū)時(shí)間減少)，單電源15V供電，實(shí)現(xiàn)低損耗；熱阻低，易于散熱，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)空間，低成本單模封裝，方便了集中安裝接散熱片，為設(shè)計(jì)高集成度的電機(jī)控制器提供了便利；內(nèi)置短路、欠壓保護(hù)電路。且不需要高速光耦隔離，明顯減少了電機(jī)的死區(qū)時(shí)間；輸入接口電路采用高電平驅(qū)動(dòng)邏輯，消除了舊產(chǎn)品低電平驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電源投入和切斷時(shí)的時(shí)序要求。增強(qiáng)了模塊自保護(hù)能力；輸入信號(hào)端內(nèi)置下拉電阻，外部無須再下拉電阻，可直接由DSP或3V級(jí)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。

    如上圖所示，圖1為IPM模塊的上驅(qū)動(dòng)部分，圖2為IPM模塊的下驅(qū)動(dòng)部分。一個(gè)完整的DIP-IPM模塊包括三個(gè)上驅(qū)動(dòng)部分和一個(gè)下驅(qū)動(dòng)部分，在圖1中給出的只是U相的驅(qū)動(dòng)電路，V、W相與U相的電路完全相同。下面就結(jié)合內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)模塊進(jìn)行說明。
    UP，VP，WP，UN，VN，WN，控制信號(hào)輸入端子，此為控制開關(guān)運(yùn)行的信號(hào)輸入端子，信號(hào)為電壓型。這些端子在模塊內(nèi)部與5V CMOS施密特觸發(fā)電路相連。各信號(hào)線可直接與單片機(jī)輸出口連接，無需接光耦隔離。
    P為逆變器直流母線的正電源端。在模塊內(nèi)部，此端與上臂IGBT的集電極相連。為抑制直流母線引線和PCB上寄生電感引起的浪涌電壓，應(yīng)在非?？拷黀，N端子處加平滑電容或具有良好頻率特性的小薄膜電容。
    N為逆變器直流母線的負(fù)電源端(主電路地)。在模塊內(nèi)部，此端與下臂IGBT的發(fā)射極相連。
    U、V、W為逆變器輸出端，用于連接逆變器負(fù)載(如交流馬達(dá)在模塊內(nèi)部，這些端子與相應(yīng)的IGBT橋臂的中點(diǎn)相連。
    CFO是故障信號(hào)輸出脈寬設(shè)定端子，是用來設(shè)定故障輸出信號(hào)脈沖寬度。故障輸出脈寬通過在此端與VNC之間外加一個(gè)電容來設(shè)定。
    Fo為故障信號(hào)輸出端子，用來輸出故障信號(hào)，信號(hào)為低電平時(shí)有效。即當(dāng)輸出低電平時(shí)，表示模塊處于故障狀態(tài)(下臂發(fā)生短路保護(hù)或欠壓保護(hù))。
    VP1分別是P側(cè)控制電源端子，給模塊內(nèi)部IC(輸入信號(hào)模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動(dòng)模塊)供電的控制電源端子，應(yīng)在模塊外部將VP1連接起來。

4 硬件電路設(shè)計(jì)
4．1 主結(jié)構(gòu)框圖
    系統(tǒng)電路部分主要包括DSP芯片TMS320F2812、RS232與CAN總線的通訊部分，外擴(kuò)展的SRAM芯片，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的DIP-IPM模塊，電流檢測(cè)電路和位置傳感器檢查電路。人機(jī)界面包括按鍵和液晶顯示，電源部分分為DSP與DIP-IPM模塊的電源、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率電源。

    如圖3所示，為三相電機(jī)調(diào)速通用電路總框圖，采用TMS320F2812芯片后，可以最大限度的利用其自身自帶的硬件資源，如：AD、PWM、EVA和EVB，為電路設(shè)計(jì)提供了很多便利。電壓和電流信號(hào)可以采用AD采樣的方式，位置、轉(zhuǎn)速可以采用編碼器中斷方式實(shí)現(xiàn)。
4．2 電流檢查
    接下來闡述該系統(tǒng)的電流檢查電路，如圖4所示，為電流檢測(cè)的原理圖。

    做到比較精確的死區(qū)時(shí)間的補(bǔ)償，對(duì)電流方向的正確判別是相當(dāng)關(guān)鍵的。一般方法是采用快速電流互感器檢測(cè)輸出相電流的過零點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，由于電流波形中噪聲成分大，再加上負(fù)載的波動(dòng)及外界干擾很難正確判別相電流的過零點(diǎn)，采用電流檢查后可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，需要檢測(cè)三相電動(dòng)機(jī)定子電流。實(shí)際的電路中可以檢測(cè)其中兩相，另一相可計(jì)算得到。在軟件中還可以對(duì)硬件電路的一些缺陷進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，提高了控制器的可靠性。
    可以根據(jù)電路特點(diǎn)選取不同類型的霍爾電流傳感器，比如CHB-50P型，最大檢測(cè)電流可以達(dá)到為100A，響應(yīng)時(shí)間小于1μs。根據(jù)測(cè)試需要選擇原級(jí)／次級(jí)匝比，例如原級(jí)／次級(jí)匝比為1：500時(shí)，原級(jí)額定電流為5A，次級(jí)額定輸出電流為10mA。外接測(cè)量電阻選擇RA=200Ω。CHB-50P測(cè)量電阻得到的兩相電流信號(hào)從TMS320F2812的AD管腳送入片內(nèi)A／D，轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)的數(shù)字量。對(duì)于TMS320F2812，A／D轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓量程為0V～3．3V，但測(cè)量電阻兩端電壓額定范圍是-2V～2V，因此必須對(duì)模擬輸入電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使其調(diào)整到0～3V范圍內(nèi)。
4．3 電壓檢查：
    如圖5所示，為直流電壓檢測(cè)電路，在系統(tǒng)的工作過程中需要實(shí)時(shí)檢查DIP-IPM模塊的P端和N端的電壓，根據(jù)這個(gè)電壓可以適當(dāng)?shù)膶?duì)算法進(jìn)行修正。其中U1為隔離霍爾電壓傳感器，電路中采用的是磁平衡式霍爾電壓傳感器HFV25-P。它采用+15V和-15V雙電源供電，傳感器的前端負(fù)載電阻為RA，后端負(fù)載電阻為RB，匝數(shù)比為3000：1200，如果P和N之間的電壓在500V內(nèi)，RA電阻設(shè)定為500K，則前端的電流為1mA。由于匝數(shù)比的差異，后端電流為0．4mA，最后輸入到DSP的信號(hào)在2V左右，為了滿足輸入到DSP的電壓要在O-3．3V范圍內(nèi)，則RB電阻可以選取5K左右。

結(jié)論：
    TMS320F2812和IPM模塊都是隨著電子技術(shù)發(fā)展的新型元件，結(jié)合TMS320F2812的高速處理能力，以及IPM模塊在電力電子產(chǎn)品上的新突破，提供了完整的電流和電壓檢查電路，為三相電機(jī)變頻調(diào)速提供了方便。