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

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、智能化程度越來越高，硬件構(gòu)成也越來越緊湊、簡(jiǎn)單。DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)＋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)。下面介紹該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法。

 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3Φ 200VAC?？刂频膬陕冯姍C(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公司的專為電機(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)控制的專用外圍配置―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。另外，該型DSP還有多達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程的復(fù)合通用輸入/輸出引腳、多達(dá)5個(gè)外部中斷等配置，對(duì)實(shí)際應(yīng)用帶來很大方便。

  因?yàn)樵撓到y(tǒng)輸入電壓為3Φ 200VAC，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-IPM PS21563(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(Carrier Stored Trench－gate Bipolar Transistor：具有載流子蓄積層的溝槽型門極構(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（過載）保護(hù)功能，同時(shí)輸出故障信號(hào)F。

·內(nèi)置專用HVIC（高壓600VIC）,無需隔離絕緣電路（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，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。

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系統(tǒng)輸入為3Φ 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。

圖1  系統(tǒng)原理框圖

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)。具體工作原理如下：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，開通下臂（N側(cè)）的IGBT，使下臂的供電電源通過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。然后才開始發(fā)出PWM控制脈沖。自舉電路充電路徑及工作時(shí)序圖如圖2所示。

圖2  自舉電路充電路徑及工作時(shí)序圖

自舉電容C1的容值計(jì)算公式為C1=IBS X T1/△V，式中T1為上臂IGBT的最大通態(tài)（ON）脈寬，IBS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)滿足下述條件：時(shí)間常數(shù)R2 X 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={(VD-VDB) X T2}/(C1 X △V)，式中VD為電源電壓，VDB為自舉電容C1上電壓。

自舉二極管選擇：對(duì)3Φ 200VAC電路，若電源輸入電壓波動(dòng)范圍取±30％，則三相全橋整流后直流電壓VD=200 X 1.3 X 1.35=351（V），取最小裕量為1.5，則自舉二極管耐壓應(yīng)為351 X 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）。

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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。

圖3 控制觸發(fā)脈沖通道通、斷的邏輯門電路

·為防止信號(hào)振蕩，應(yīng)在各輸入端加RC退耦電路。對(duì)兩組觸發(fā)脈沖來說，RC電路一來可濾掉干擾脈沖，二來還可限制輸入脈沖的最小脈寬。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)。在本系統(tǒng)的軟件調(diào)試過程中，該功能多次發(fā)揮作用，可靠地保護(hù)了模塊，使本系統(tǒng)樣機(jī)調(diào)試過程中IPM模塊無一損壞。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1.5~2μS，最大不超過6μS。時(shí)間常數(shù)過短可能引起短路保護(hù)誤動(dòng)作，過長(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)為無感電阻，該電阻及其信號(hào)引線到IPM模塊對(duì)應(yīng)引腳的布線應(yīng)盡可能短，以免由引線電感干擾引起短路保護(hù)誤動(dòng)作。

·PCB布板時(shí)應(yīng)注意采取以下抗干擾措施：

1）強(qiáng)電（功率部分）和弱電（控制部分）從區(qū)域上分開。

2）數(shù)字地（控制地）和模擬地（功率地）分開布局，只能在一點(diǎn)相接。一定要注意避免功率地線上的電流流經(jīng)控制地線，以免引入地線干擾。

3）PCB上IPM模塊相鄰觸發(fā)脈沖引腳間可開槽，避免相互干擾。

4）電流檢測(cè)電阻及其信號(hào)線、觸發(fā)脈沖信號(hào)及所有電容到IPM模塊的布線要盡可能短，盡量降低其引線電感引起的干擾。

結(jié)語：

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。