TMS320F2812與DIP-IPM的通用電路設計

　引言：
隨著電子技術的高速發(fā)展，功耗與節(jié)能為電子技術提出了新的要求。在電力電子技術方面，交流電機的變頻調(diào)速更成了電機控制的主流，變頻調(diào)速是利用電力半導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換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源。變頻調(diào)速技術憑借其節(jié)能降耗、改善工藝和提高控制精度等方面的優(yōu)點，使得變頻調(diào)速技術發(fā)揮了交流電機本身固有的優(yōu)點，解決了交流電機調(diào)速性能先天不足的問題。本文先對TMS320F2812芯片和智能功率模塊進行了詳細的介紹，根據(jù)他們的特點設計了通用變頻電路設計方案。在實際的應用中可以根據(jù)控制方式的需要，制定不同的控制方式，廣泛應用于三相異步電機的SVPWM控制。
1 變頻調(diào)速方式
交流電機的轉速為n1=60f/p，再根據(jù)異步電機轉差率s=(n1-n)/n1，可知交流異步機的轉速公式為：n=n1(1-s)=(1-s)60f/p，其中P為極對數(shù)，s為轉差率，f為定子供電頻率，當p和s為定植時，要改變電機的轉速，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，在電路設計時，需要實時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)字信號處理器，它是專為控制設計的高速DSP芯片，擁有峰值每秒運行150萬條指令(MIPs)的處理速度和單周期完成32×32位MAC運算的功能，再加上兩個事件管理器(EVA和EVB)、片上Flash以及片上RAM和AD轉換模塊，能夠實現(xiàn)實時快速的數(shù)字信號處理算法，在三相異步電機控制系統(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位的兩個乘且累加，統(tǒng)一的寄存器編程模式，可達4M字的線性程序地址和數(shù)據(jù)地址。
(2)片內(nèi)存儲器
8Kx16位的Flash存儲器
1Kx16位的0TP型只讀存儲器
L0和L1：兩塊4Kx16位的單口隨機存儲器(SARAM)
HO：一塊8Kx16位的單口隨機存儲器
M0和M1：兩塊1Kx16位的單口隨機存儲器
(3)時鐘與系統(tǒng)控制
支持動態(tài)的改變鎖相環(huán)的頻率(PLL)
片內(nèi)振蕩器
看門狗定時器模塊
CPU級和外設級中斷相結合的控制系統(tǒng)
(4)豐富的外圍設備
兩個事件管理器(EVA、EVB)
串行外圍接口(SPI)
兩個串行通信接口(SCI)，標準的UART
改進的控制器局域網(wǎng)絡(ECAN)
多通道緩沖串行接口(MCBSP)
16通道12位的數(shù)模轉換器(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前四代功率模塊的基礎上設計的，它彌補了以往功率模塊在使用和可靠性方面的很多不足，是專為三相電機驅動設計的功率模塊。其特點如下：提高可靠性和馬達效率(死區(qū)時間減少)，單電源15V供電，實現(xiàn)低損耗；熱阻低，易于散熱，簡化了設計空間，低成本單模封裝，方便了集中安裝接散熱片，為設計高集成度的電機控制器提供了便利；內(nèi)置短路、欠壓保護電路。且不需要高速光耦隔離，明顯減少了電機的死區(qū)時間；輸入接口電路采用高電平驅動邏輯，消除了舊產(chǎn)品低電平驅動方式對電源投入和切斷時的時序要求。增強了模塊自保護能力；輸入信號端內(nèi)置下拉電阻，外部無須再下拉電阻，可直接由DSP或3V級單片機驅動。
如上圖所示，圖1為IPM模塊的上驅動部分，圖2為IPM模塊的下驅動部分。一個完整的DIP-IPM模塊包括三個上驅動部分和一個下驅動部分，在圖1中給出的只是U相的驅動電路，V、W相與U相的電路完全相同。下面就結合內(nèi)部結構對模塊進行說明。

UP，VP，WP，UN，VN，WN，控制信號輸入端子，此為控制開關運行的信號輸入端子，信號為電壓型。這些端子在模塊內(nèi)部與5V CMOS施密特觸發(fā)電路相連。各信號線可直接與單片機輸出口連接，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，應在非常靠近P，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，用于連接逆變器負載(如交流馬達在模塊內(nèi)部，這些端子與相應的IGBT橋臂的中點相連。
CFO是故障信號輸出脈寬設定端子，是用來設定故障輸出信號脈沖寬度。故障輸出脈寬通過在此端與VNC之間外加一個電容來設定。
Fo為故障信號輸出端子，用來輸出故障信號，信號為低電平時有效。即當輸出低電平時，表示模塊處于故障狀態(tài)(下臂發(fā)生短路保護或欠壓保護)。
VP1分別是P側控制電源端子，給模塊內(nèi)部IC(輸入信號模塊、電平轉換模塊、驅動模塊)供電的控制電源端子，應在模塊外部將VP1連接起來。
4 硬件電路設計
4．1 主結構框圖
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，外擴展的SRAM芯片，驅動電機的DIP-IPM模塊，電流檢測電路和位置傳感器檢查電路。人機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、電機的驅動功率電源。
如圖3所示，為三相電機調(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，為電路設計提供了很多便利。電壓和電流信號可以采用AD采樣的方式，位置、轉速可以采用編碼器中斷方式實現(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，為電流檢測的原理圖。

做到比較精確的死區(qū)時間的補償，對電流方向的正確判別是相當關鍵的。一般方法是采用快速電流互感器檢測輸出相電流的過零點來實現(xiàn)，由于電流波形中噪聲成分大，再加上負載的波動及外界干擾很難正確判別相電流的過零點，采用電流檢查后可以實現(xiàn)閉環(huán)控制，需要檢測三相電動機定子電流。實際的電路中可以檢測其中兩相，另一相可計算得到。在軟件中還可以對硬件電路的一些缺陷進行適當?shù)难a償，提高了控制器的可靠性。
可以根據(jù)電路特點選取不同類型的霍爾電流傳感器，比如CHB-50P型，最大檢測電流可以達到為100A，響應時間小于1μs。根據(jù)測試需要選擇原級／次級匝比，例如原級／次級匝比為1：500時，原級額定電流為5A，次級額定輸出電流為10mA。外接測量電阻選擇RA=200Ω。CHB-50P測量電阻得到的兩相電流信號從TMS320F2812的AD管腳送入片內(nèi)A／D，轉換為電流信號的數(shù)字量。對于TMS320F2812，A／D轉換的模擬輸入電壓量程為0V～3．3V，但測量電阻兩端電壓額定范圍是-2V～2V，因此必須對模擬輸入電壓進行電平轉換，使其調(diào)整到0～3V范圍內(nèi)。
4．3 電壓檢查：
如圖5所示，為直流電壓檢測電路，在系統(tǒng)的工作過程中需要實時檢查DIP-IPM模塊的P端和N端的電壓，根據(jù)這個電壓可以適當?shù)膶λ惴ㄟM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，傳感器的前端負載電阻為RA，后端負載電阻為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。

5 結論：
TMS320F2812和IPM模塊都是隨著電子技術發(fā)展的新型元件，結合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，為三相電機變頻調(diào)速提供了方便。