基于DSP與IPM的變頻調速系統設計

變頻調速技術(shù)廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域。隨著(zhù)電力電子控制技術(shù)及元器件的不斷發(fā)展，變頻調速系統的集成度、智能化程度越來(lái)越高，硬件構成也越來(lái)越緊湊、簡(jiǎn)單。DSP(數字信號處理器)＋IPM（智能功率模塊）就是變頻調速系統最新的發(fā)展方向之一。
　　在DSP+IPM構成的變頻調速系統中，充分利用了DSP高速運算、配置豐富及IPM控制信號接口簡(jiǎn)單、保護完善的特點(diǎn)，使得系統元器件數大為減少、結構緊湊，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)品的競爭力。
　　筆者為某設備所做的一個(gè)變頻調速子系統就采用了DSP+IPM的結構。下面介紹該系統的硬件設計方法。
硬件設計
DSP和IPM
　　該系統工況為24小時(shí)連續工作制。要求受上位機控制，控制兩路電機的啟動(dòng)、停止、轉速及加速度，同時(shí)將掉電及故障信號反饋給上位機。系統要求結構緊湊、體積小、保護功能完善、穩定可靠。系統輸入電壓為3Φ 200VAC?？刂频膬陕冯姍C功率分別為180W。根據以上要求，我們采用了DSP+IPM的硬件結構。
　　因為系統要求實(shí)時(shí)控制兩路電機的運行，我們選用了TI公司的專(zhuān)為電機控制設計的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40MHZ，指令周期僅為25ns，可實(shí)現3.3V低功耗設計，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制要求。尤其值得一提的是該DSP具有用于電機控制的專(zhuān)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)間標記捕獲單元；可編程的死區時(shí)間以防止直通故障；在片位置編碼器接口電路；同步A./D轉換器等，可方便地實(shí)現對兩路電機的控制。另外，該型DSP還有多達40個(gè)可單獨編程的復合通用輸入/輸出引腳、多達5個(gè)外部中斷等配置，對實(shí)際應用帶來(lái)很大方便。
　　因為該系統輸入電壓為3Φ 200VAC，控制的兩路電機功率均為180W，考慮適當裕量，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級小容量電機變頻驅動(dòng)、采用傳遞型封裝結構、將功率電路和驅動(dòng)保護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)極構造雙極晶體管)功率芯片，實(shí)現更低損耗。
　　·采用自舉電路結構，可實(shí)現單電源驅動(dòng)。
　　·內置有IGBT驅動(dòng)電路，具有過(guò)載保護、控制電源欠壓保護功能。P側具有UV（控制電源欠壓）保護功能，但不輸出故障信號F。N側具有UV及SC（過(guò)載）保護功能，同時(shí)輸出故障信號F。
　　·內置專(zhuān)用HVIC（高壓600VIC）,無(wú)需隔離絕緣電路（如光耦），可由DSP或3V級單片機直接驅動(dòng)。
　　·輸入接口電路采用高電平驅動(dòng)邏輯，消除了舊產(chǎn)品低電平驅動(dòng)方式對電源投入和切斷時(shí)的時(shí)序要求，增強了模塊自保護能力。
　　系統輸入為3Φ 200VAC，經(jīng)三相全橋整流為約270VDC供給IPM，并由270V進(jìn)行DC/DC轉換產(chǎn)生輔助電源，為DSP、上位機及IPM模塊提供控制電源。上位機接受主系統控制，對DSP發(fā)出2路電機起停、4級加速度及8級速度的控制信號，DSP根據上位機的控制信號產(chǎn)生兩組6路脈沖分別控制兩個(gè)IPM模塊，從而控制兩路電機的起停、加速度及轉速。兩路電機的轉速通過(guò)軸編碼器反饋回上位機。IPM的故障信號反饋給DSP，DSP將故障信號及掉電信號反饋回上位機。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖
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4組相互隔離的電源。而三菱公司的DIP-IPM采用自舉電路結構，可方便地實(shí)現單電源驅動(dòng)。具體工作原理如下：當DIP-IPM起動(dòng)時(shí)，先給下臂IGBT發(fā)出足夠的充電脈沖數或足夠寬的單個(gè)脈沖，開(kāi)通下臂（N側）的IGBT，使下臂的供電電源通過(guò)IPM的內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。

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，用該式計算出的自舉電容容值應是最小值，實(shí)際選擇時(shí)應增加一定裕量。
　　自舉電阻R2的阻值選擇應滿(mǎn)足下述條件：時(shí)間常數R2 X C1能使放電電壓(△V)在下臂IGBT的最小導通脈寬（T2）內被充電到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 X1.35=351（V），取最小裕量為1.5，則自舉二極管耐壓應為351 X1.5=526.5(V)，取600V。故自舉二極管額定電壓最小應為600V，因為PWM載波頻率較高（最大為20KHZ），推薦選用快恢復二極管（反向恢復時(shí)間小于100nS）。
硬件設計要點(diǎn)
　　根據筆者設計該系統的經(jīng)驗，硬件設計應注意以下方面，以提高系統抗干擾性，使之在強干擾的現場(chǎng)工業(yè)環(huán)境中能可靠穩定運行。
　　·雖然DIP-IPM模塊可由DSP直接驅動(dòng)，但實(shí)際調試時(shí)發(fā)現，在上電及對DSP進(jìn)行flash編程過(guò)程中，DSP的引腳有時(shí)會(huì )出現不確定狀態(tài)，產(chǎn)生干擾脈沖導致IPM的上、下臂IGBT直通引起短路保護動(dòng)作。故我們在DSP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(mén)轉換收發(fā)芯片74LVC4245，該芯片的輸出使能端由一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)電路控制，如圖3所示。以確保在上電及對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(mén)電路
　　·為防止信號振蕩，應在各輸入端加RC退耦電路。對兩組觸發(fā)脈沖來(lái)說(shuō)，RC電路一來(lái)可濾掉干擾脈沖，二來(lái)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，又不對觸發(fā)脈沖造成畸變。因為DIP-IPM輸入部分IC內置2.5KΩ（min）下拉電阻，故RC中R阻值的選擇應注意使分壓后的信號值滿(mǎn)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。在本系統的軟件調試過(guò)程中，該功能多次發(fā)揮作用，可靠地保護了模塊，使本系統樣機調試過(guò)程中IPM模塊無(wú)一損壞。但要使該功能可靠發(fā)揮作用，應注意以下兩點(diǎn)：
　　1）外部電流檢測電阻的信號回路必須設置RC濾波電路，以免短路保護誤動(dòng)作。RC時(shí)間常數的選擇要考慮IGBT的硬中斷能力，一般推薦為1.5~2μS，最大不超過(guò)6μS。時(shí)間常數過(guò)短可能引起短路保護誤動(dòng)作，過(guò)長(cháng)則可能超出IPM模塊的耐受能力，不能有效保護IPM模塊。
　　2）外部電流檢測電阻應為無(wú)感電阻，該電阻及其信號引線(xiàn)到IPM模塊對應引腳的布線(xiàn)應盡可能短，以免由引線(xiàn)電感干擾引起短路保護誤動(dòng)作。
　　·PCB布板時(shí)應注意采取以下抗干擾措施：
　　1）強電（功率部分）和弱電（控制部分）從區域上分開(kāi)。
　　2）數字地（控制地）和模擬地（功率地）分開(kāi)布局，只能在一點(diǎn)相接。一定要注意避免功率地線(xiàn)上的電流流經(jīng)控制地線(xiàn)，以免引入地線(xiàn)干擾。
　　3）PCB上IPM模塊相鄰觸發(fā)脈沖引腳間可開(kāi)槽，避免相互干擾。
　　4）電流檢測電阻及其信號線(xiàn)、觸發(fā)脈沖信號及所有電容到IPM模塊的布線(xiàn)要盡可能短，盡量降低其引線(xiàn)電感引起的干擾。
結語(yǔ)：
　　該系統已批量生產(chǎn)上千臺，投入現場(chǎng)連續運行三年多。實(shí)際運行表明，該系統運行穩定，工作良好?？梢灶A計，DSP+IPM模式將是緊湊型變頻調速系統的發(fā)展方向之一。