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基于DSP和IPM的变频调速系统的硬件设计

2011-01-20 11:10
潇纵
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  引言

  变频调速技术广泛应用于工业领域。随着电力电子控制技术及元器件的不断发展,变频调速系统的集成度、智能化程度越来越高,硬件构成也越来越紧凑、简单。DSP(数字信号处理器)+IPM(智能功率模块)就是变频调速系统最新的发展方向之一。

  在DSP+IPM构成的变频调速系统中,充分利用了DSP高速运算、配置丰富及IPM控制信号接口简单、保护完善的特点,使得系统元器件数大为减少、结构紧凑,而性能及可靠性却大为提高,缩短了产品开发周期,提高了产品的竞争力。

  笔者为某设备所做的一个变频调速子系统就采用了DSP+IPM的结构。下面介绍该系统的硬件设计方法。

  硬件设计

  DSP和IPM

  该系统工况为24小时连续工作制。要求受上位机控制,控制两路电机的启动、停止、转速及加速度,同时将掉电及故障信号反馈给上位机。系统要求结构紧凑、体积小、保护功能完善、稳定可靠。系统输入电压为3Φ 200VAC。控制的两路电机功率分别为180W。根据以上要求,我们采用了DSP+IPM的硬件结构。

  因为系统要求实时控制两路电机的运行,我们选用了TI公司的专为电机控制设计的TMS320L2407A型DSP。该DSP采用了高性能静态CMOS技术,时钟频率可达40MHZ,指令周期仅为25ns,可实现3.3V低功耗设计,满足实时控制要求。尤其值得一提的是该DSP具有用于电机控制的专用外围配置―两个事件管理模块EVA和EVB,每个模块包括:两个16位通用定时器;8个16位PWM通道;三个外部事件的时间标记捕获单元;可编程的死区时间以防止直通故障;在片位置编码器接口电路;同步A./D转换器等,可方便地实现对两路电机的控制。另外,该型DSP还有多达40个可单独编程的复合通用输入/输出引脚、多达5个外部中断等配置,对实际应用带来很大方便。

  因为该系统输入电压为3Φ 200VAC,控制的两路电机功率均为180W,考虑适当裕量,我们选用了三菱公司第三代DIP-IPM PS21563(10A/600V)。三菱DIP-IPM是面向AC100~200V级小容量电机变频驱动、采用传递型封装结构、将功率电路和驱动保护电路集成于一体的小型智能功率模块,具有以下特点:

  3相AC变频输出电路搭载三菱第5代平面型IGBT和CSTBT(Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor:具有载流子蓄积层的沟槽型门极构造双极晶体管)功率芯片,实现更低损耗。

  采用自举电路结构,可实现单电源驱动。

  内置有IGBT驱动电路,具有过载保护、控制电源欠压保护功能。P侧具有UV(控制电源欠压)保护功能,但不输出故障信号F。N侧具有UV及SC(过载)保护功能,同时输出故障信号F。

  内置专用HVIC(高压600VIC),无需隔离绝缘电路(如光耦),可由DSP或3V级单片机直接驱动。

  输入接口电路采用高电平驱动逻辑,消除了旧产品低电平驱动方式对电源投入和切断时的时序要求,增强了模块自保护能力。

  系统输入为3Φ 200VAC,经三相全桥整流为约270VDC供给IPM,并由270V进行DC/DC转换产生辅助电源,为DSP、上位机及IPM模块提供控制电源。上位机接受主系统控制,对DSP发出2路电机起停、4级加速度及8级速度的控制信号,DSP根据上位机的控制信号产生两组6路脉冲分别控制两个IPM模块,从而控制两路电机的起停、加速度及转速。两路电机的转速通过轴编码器反馈回上位机。IPM的故障信号反馈给DSP,DSP将故障信号及掉电信号反馈回上位机。系统框图如图1所示。

  

  图1 系统原理框图

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