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基于DSP和IPM的變頻調速系統的硬件設

发布时间:2019-11-09 08:34:40

基于DSP和IPM的变频调速系统的硬件设计

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FN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

自举电路

一般逆变电路中,因上臂3个IGBT的触发脉冲的参考地是悬浮的,故上臂触发脉冲需3组相互隔离的电源供电下臂3个IGBT的触发脉冲是共参考地的,只需一组供电电源故共需多达4组相互隔离的电源而三菱公司的DIP-IPM采用自举电路结构,可方便地实现单电源驱动具体工作原理如下:当DIP-IPM起动时,先给下臂IGBT发出足够的充电脉冲数或足够宽的单个脉冲,开通下臂(N侧)的IGBT,使下臂的供电电源通过IPM的内部充电路径使上臂的3个自举电容完全充电,从而给上臂的3个IGBT的触发脉冲供电然后才开始发出PWM控制脉冲自举电路充电路径及工作时序图如图2所示

图2自举电路充电路径及工作时序图

自举电容C1的容值计算公式为C1=IBS X T1/△V,式中T1为上臂IGBT的最大通态(ON)脉宽,IBS为IC的驱动电流(考虑温度和频率特性),△V为允许的放电电压注意,用该式计算出的自举电容容值应是最小值,实际选择时应增加一定裕量

自举电阻R2的阻值选择应满足下述条件:时间常数R2 X C1能使放电电压(△V)在下臂IGBT的最小导通脉宽(T2)内被充电到C1上即 R2={(VD-VDB) X T2}/(C1 X △V),式中VD为电源电压,VDB为自举电容C1上电压

自举二极管选择:对3Φ 200VAC电路,若电源输入电压波动范围取±30%,则三相全桥整流后直流电压VD=200 X 1.3 X1.35=351(V),取最小裕量为1.5,则自举二极管耐压应为351 X1.5=526.5(V),取600V故自举二极管额定电压最小应为600V,因为PWM载波频率较高(最大为20KHZ),推荐选用快恢复二极管(反向恢复时间小于100nS)

硬件设计要点

根据笔者设计该系统的经验,硬件设计应注意以下方面,以提高系统抗干扰性,使之在强干扰的现场工业环境中能可靠稳定运行

·虽然DIP-IPM模块可由DSP直接驱动,但实际调试时发现,在上电及对DSP进行flash编程过程中,DSP的引脚有时会出现不确定状态,产生干扰脉冲导致IPM的上、下臂IGBT直通引起短路保护动作故我们在DSP到IPM的两组触发脉冲通道中分别加了一个八通道、双电源3态门转换收发芯片74LVC4245,该芯片的输出使能端由一个简单的逻辑门电路控制,如图3所示以确保在上电及对DSP进行flash编程时不会有干扰脉冲误触发IPM

图3 控制触发脉冲通道通、断的逻辑门电路

·为防止信号振荡,应在各输入端加RC退耦电路对两组触发脉冲来说,RC电路一来可滤掉干扰脉冲,二来还可限制输入脉冲的最小脉宽RC容量的选择要和PWM的载波频率匹配,使得既能滤掉干扰信号,又不对触发脉冲造成畸变因为DIP-IPM输入部分IC内置2.5KΩ(min)下拉电阻,故RC中R阻值的选择应注意使分压后的信号值满足DIP-IPM的输入电平阈值要求

·DIP-IPM还有一个很实用的功能:短路保护在本系统的软件调试过程中,该功能多次发挥作用,可靠地保护了模块,使本系统样机调试过程中IPM模块无一损坏但要使该功能可靠发挥作用,应注意以下两点:

1)外部电流检测电阻的信号回路必须设置RC滤波电路,以免短路保护误动作RC时间常数的选择要考虑IGBT的硬中断能力,一般推荐为1.5~2μS,最大不超过6μS时间常数过短可能引起短路保护误动作,过长则可能超出IPM模块的耐受能力,不能有效保护IPM模块

2)外部电流检测电阻应为无感电阻,该电阻及其信号引线到IPM模块对应引脚的布线应尽可能短,以免由引线电感干扰引起短路保护误动作

·PCB布板时应注意采取以下抗干扰措施:

1)强电(功率部分)和弱电(控制部分)从区域上分开

2)数字地(控制地)和模拟地(功率地)分开布局,只能在一点相接一定要注意避免功率地线上的电流流经控制地线,以免引入地线干扰

3)PCB上IPM模块相邻触发脉冲引脚间可开槽,避免相互干扰

4)电流检测电阻及其信号线、触发脉冲信号及所有电容到IPM模块的布线要尽可能短,尽量降低其引线电感引起的干扰

结语:

该系统已批量生产上千台,投入现场连续运行三年多实际运行表明,该系统运行稳定,工作良好可以预计,DSP+IPM模式将是紧凑型变频调速系统的发展方向之一

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