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

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（數(shù)字信號(hào)處理器）＋I(xiàn)PM（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)。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(lái)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(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，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。
　　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(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。
　　
　　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(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。自舉電路充電路徑及工作時(shí)序圖如圖2所示。