電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 硬件部分包括主電路、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路。 本文所涉及到的主電路的參數(shù)是三相完全對(duì)稱的，其中整流部分采用二極管不可控整流，逆變部分采用的功率器件是IGBT。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3- 1所示。380V三相交流電輸入到整流器主電路，調(diào)節(jié)交流輸入變壓器使輸出直流電壓穩(wěn)定在540V左右。DSP的主要任務(wù)是輸出SVPWM觸發(fā)脈沖對(duì)逆變器的輸出進(jìn)行控制。在實(shí)際的系統(tǒng)組成中，分為強(qiáng)電部分和弱電部分。強(qiáng)電部分和弱電部分相互隔離分開(kāi)能夠減少?gòu)?qiáng)電部分對(duì)弱電部分的影響，這點(diǎn)對(duì)于DSP的正常運(yùn)行，變頻器的正常工作有很重要的影響。整流器TMS320F2812

2、 DSP直流母線逆變器開(kāi)關(guān)電源CT1CT2M光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路過(guò)流保護(hù)濾波電路光電編碼器上位機(jī)鍵盤(pán)ABC六路PWM信號(hào) 圖3-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總框圖主電路:采用交一直一交電壓型變頻裝置。它主要由整流電路、濾波電路、逆變器三部分組成。整流電路是利用二極管三相橋式不可控整流模塊將三相工頻交流電整流成直流電;濾波電路采用電容濾波，將整流輸出的脈動(dòng)電壓轉(zhuǎn)化為平直的直流電壓Vdc;逆變器是由IGBT構(gòu)成的三相全橋式逆變器。3.2主電路工作原理在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，主回路作為直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其可靠性及穩(wěn)定性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。主電路一般是由整流電路、中間濾波電路和逆變器三部分組成。本課題選用的是電壓型交一直

3、一交變頻裝置。它包括不可控整流器、大電容濾波、三相橋式逆變器、采樣電路、保護(hù)電路以及能耗制動(dòng)電路，其電路原理圖如圖3-2ABCM整流橋 圖3-2系統(tǒng)硬件主電路圖主電路主要包括整流器和逆變器，需要用到整流橋、濾波電容器組、限流電阻和開(kāi)關(guān)、電源指示器、整流二極管等器件。三相交流電源經(jīng)三相整流橋全波整流成直流電，如電源的線電壓為，則三相全波整流后平均直流電壓的大小是=1.35UL，我國(guó)三相電源的線電壓為380V，考慮濾波電容的因素，全波整流后的電壓是=1.414UL，故直流電壓大約為540V 。濾波電容的功能主要有兩點(diǎn):一是濾平全波整流后的電壓紋波;二是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓保持平穩(wěn)。由于受到電解

4、電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，又由兩個(gè)電容器組串聯(lián)而成，由于電解電容器的電容量有較大的離散性，故電容器組和的電容量不能完全相等，這將使它們承受的電壓不相等，為了使它們承受的電壓相等，在和二旁各并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻和。限流電阻和開(kāi)關(guān)，當(dāng)變頻器合上電源的瞬間，濾波電容器的充電電流是很大的。過(guò)大的沖擊電流可能使三相整流橋的二極管損壞，同時(shí)也使電源電壓瞬間下降而受到“污染”。為了減少?zèng)_擊電流，在變頻器剛接通電源后的一段時(shí)間里，電路內(nèi)串入限流電阻，其作用是將電容器的充電電流限制在允許范圍之內(nèi)。當(dāng)充電到一定程度時(shí)，令開(kāi)關(guān)接通，將電阻短路掉。電源指示, 除了表示電

5、源是否接通以外，還有一個(gè)十分重要的功能，即在變頻器切斷電源后，指示濾波電容器上的電荷是否己經(jīng)釋放完畢。由于的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行，所以沒(méi)有快速放電的回路，其放電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘。又由于上的電壓較高，如不放完.對(duì)人身安個(gè)將構(gòu)成威脅。3.2.1整流二極管及IGBT的選擇(1)整流二極管的選擇a.確定電壓額定值整流二極管的耐壓按式(6-1)確定。根據(jù)電網(wǎng)電壓，考慮到其峰值、波動(dòng)、閃電雷擊等因素，取波動(dòng)系數(shù)為1.1，安全系數(shù)=2 。 （3-1）b.確定電流額定值(t)整流二極管額定電流按式(6-2)確定。式中，為沖擊電流值；為安全系數(shù)，取常數(shù) =2 。 tt （3-2

6、）(2) IGBT模塊選擇選擇IGBT與選擇整流二極管的最大不同是，整流二極管的輸入端直接與電網(wǎng)相連，電網(wǎng)易受到外界的干擾，特別是雷電干擾，因此，選擇的安全系數(shù)較大;而IGBT是位于逆變橋上，其輸入端常與電力電容并聯(lián)，起到了緩沖波動(dòng)和干擾的作用，因此安全系數(shù)不必取的太大。假定電網(wǎng)電壓為380V，平波后的直流電壓由式(3-3)確定，式中1.1為波動(dòng)系數(shù)，一般取安全系數(shù)=1.1。 =3801.1=650V （3-3）a. 確定電壓額定值關(guān)斷時(shí)的峰值電壓按式(3-4)計(jì)算 （650 （3-4）式中，1.15為過(guò)電壓保護(hù)系數(shù);為安全系數(shù)，一般取1.1； 150為由Ldi/dt引起尖峰電壓。令UCEP

7、UCESP，并向上靠攏IGBT的實(shí)際電壓等級(jí)，取UCEP=1200V.b.確定電流額定值設(shè)電網(wǎng)電壓為=380V，由P= （3-5） （3-6） (3-7)式中，P為變頻器容量;0.9為電網(wǎng)電壓的波動(dòng)系數(shù);為的峰值;1.5為允許1 min過(guò)載容量;1.4為減小系數(shù)。因?yàn)镮GBT器件手冊(cè)上給出的是在結(jié)溫= 25條件下，在實(shí)際工作時(shí)，由于熱損耗，總要升高，的實(shí)際允許值將下降(1/1 .470% ) 。3.3保護(hù)電路的設(shè)計(jì)IGBT關(guān)斷或開(kāi)通時(shí)，因?yàn)榛芈贩植茧姼泻妥儔浩髀└械淖饔?，在開(kāi)關(guān)管兩端會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，若不采取措施，有時(shí)這個(gè)電壓尖峰疊加原來(lái)的電源電壓會(huì)超過(guò)管子的安全工作區(qū)而使其遭到破壞。開(kāi)通保護(hù)電

8、路用于限制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的電流上升率di/dt，關(guān)斷緩沖電路用于限制開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的端電壓上升率du/dt同時(shí)也限制導(dǎo)通時(shí)所引起的處在同一橋臂上的另一只開(kāi)關(guān)管端電壓上升率du/dt，而吸收電路主要抑制開(kāi)關(guān)管兩端的電壓尖峰，與關(guān)斷緩沖電路的形式有些相似。 圖3-3保護(hù)電路圖本文選擇了如圖3-3所示的保護(hù)電路，Rs交叉連接，當(dāng)IGBT開(kāi)通時(shí)，Cs經(jīng)Ds充電，抑制du/dt;當(dāng)器件開(kāi)通前，Cs經(jīng)電源和Rs釋放電荷，同時(shí)有部分能量得反饋。如果母線上的寄生電感為L(zhǎng)P，工作電流為i，緩沖后的電壓尖峰為Vm，則緩沖電容Cs是用來(lái)吸收寄生電感上的能量，故Cs由式(3-8)給出Cs= (3-8)保護(hù)電阻的要求是，I

9、GBT關(guān)斷時(shí)，Cs上積累電荷的90%能及時(shí)釋放掉，可由式(3-9)確定。阻值過(guò)小，保護(hù)電路可能振蕩，IGBT導(dǎo)通時(shí)電流增加。 (3-9)保護(hù)電阻產(chǎn)生的損耗場(chǎng)與阻值無(wú)關(guān)，可由(3-10)確定， (3-10)式(3-10)中，系數(shù)10是電阻瓦特?cái)?shù)的裕度系數(shù)，以防止溫升過(guò)高，f為開(kāi)關(guān)頻率。3.2.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路采用PC929，PC929是日本夏普公司生產(chǎn)的用于驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的光耦隔離式驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖3-4所示。這類驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部集成有光耦接口，檢測(cè)電路，短路保護(hù)電路。當(dāng)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)光耦導(dǎo)通，接口電路把該信號(hào)整形后由功放級(jí)的NPN晶體管放大后輸出，驅(qū)動(dòng)IGBT,當(dāng)輸入驅(qū)

10、動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)光耦截止，接口電路輸出為高電平，功放級(jí)的PNP晶體管導(dǎo)通，IGBT柵極間承受反向電壓并關(guān)斷。這類芯片可驅(qū)動(dòng)600V或1200V的IGBT模塊，如圖3-4是PC929的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。這類驅(qū)動(dòng)芯片的主要特點(diǎn)為:(1)內(nèi)置的IGBT短路保護(hù)電路;(2)內(nèi)置高速光耦隔離;(3)內(nèi)置直接驅(qū)動(dòng)電路的IGBT驅(qū)動(dòng);(4)高隔離電壓;PC929構(gòu)成的IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的T15和T9構(gòu)成對(duì)稱電路，以提高負(fù)載能力，電阻R103 、穩(wěn)壓管Z9、二極管DI8檢測(cè)IGBT是否過(guò)流，當(dāng)過(guò)流時(shí)IGBT工作于退飽和狀態(tài)，CE兩端電壓升高，D18由導(dǎo)通轉(zhuǎn)到截止，9腳電平升高，檢測(cè)出IGBT的柵極和集電極同時(shí)為

11、高電壓，PC929判斷IGBT過(guò)流，驅(qū)動(dòng)芯片柵壓關(guān)閉，同時(shí)PC929的8腳電平拉低，使得OC由高電平變成低電平，OC信號(hào)送到TMS320F2808處理器，使TMS320F2808封鎖六路脈沖PWM輸出。3.3控制電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)在交流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，控制電路則是系統(tǒng)的核心部分。而設(shè)計(jì)優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)及吸收保護(hù)電路以及電源是系統(tǒng)正?？煽抗ぷ鞯闹匾Ｕ?。下面將主要討論一下這四個(gè)方面的設(shè)計(jì)考慮?？刂齐娐肥褂肈SP TMS320F2808作為主控制器。F2808是TI公司專門(mén)為電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，片上集成了高性能的DSP處理器和豐富的外圍設(shè)備。在使用F2808作為控制器對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制的時(shí)候能降低

12、硬件的復(fù)雜程度，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。TMS320C28x系列是TI公司最新推出的DSP芯片，是目前國(guó)際市場(chǎng)上最先進(jìn)的、功能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等。TMS320C28x系列其主要性能如下。(1)高勝能靜態(tài)CMOS(Static CMOS)技術(shù)1)100MHz2)低功耗(核心電壓1.8V, I/O口電壓3.3V )3 ) Flash編程電壓3.3V(2)JTAG邊界掃描(Boundary Scan)支持(3)

13、高性能的32位中央處理器(TMS320C28x )1)16位x16位和32位x 32位乘且累加操作2) 16位x16位的兩個(gè)乘且累加3)哈佛總線結(jié)構(gòu)(Harvard Bus Architecture )4)強(qiáng)大的操作能力5)迅速的中斷響應(yīng)和處理6)統(tǒng)一的寄存器編程模式7)可達(dá)4兆字的線性程序地址8)代碼高效(用C/C+或匯編語(yǔ)言)9)與TMS320F24x/LF240x處理器的源代碼兼容(3)片內(nèi)存儲(chǔ)器1) 8Kx 16位的Flash存儲(chǔ)器2) 1Kx 16位的OTP型只讀存儲(chǔ)器3) L0和L1;兩塊4K x 16位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器(SARAM）4) H0:一塊8K x 16位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器

14、5) M0和M1:兩塊1Kx16位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器(4)根只讀存貯器(Boot ROM) 4K x 16位1)帶有軟件的Boot模式2)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)表(5)外部存儲(chǔ)器接口(僅F2812有)1)有多達(dá)1MB的存儲(chǔ)器2)可編程等待狀態(tài)數(shù)3)可編程讀/寫(xiě)選通計(jì)數(shù)器(Strobe Timing)4)三個(gè)獨(dú)立的片選端(6)時(shí)鐘與系統(tǒng)控制1)支持動(dòng)態(tài)的改變鎖相環(huán)的頻率2)片內(nèi)振蕩器3)看門(mén)狗定時(shí)器模塊(7)三個(gè)外部中斷(8)外部中斷擴(kuò)展(PIE)模塊1)可支持96個(gè)外部中斷，當(dāng)前僅使用了45個(gè)外部中斷(9)128位的密匙(Security Key/Lock )1)保護(hù)Flash/OTP和LO/L1 SARA

15、M2)防止ROM中的程序被盜(10)3個(gè)32位的CPU定時(shí)器(11)馬達(dá)控制外圍設(shè)備1)兩個(gè)事件管理器(EVA、 EVB )2)與C240兼容的器件(12)串口外圍設(shè)備1)串行外圍接口(SPI )2)兩個(gè)串行通信接口(SCIs )，標(biāo)準(zhǔn)的UART3)改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)(eCAN )4)多通道緩沖串行接口(McBSP)和串行外圍接口模式(13)12位的ADC ， 16通道1) 2x8通道的輸入多路選擇器2)兩個(gè)采樣保持器3)單個(gè)的轉(zhuǎn)換時(shí)間:200ns4)單路轉(zhuǎn)換時(shí)間:60ns(14)最多有56個(gè)獨(dú)立的可編程、多用途通用輸入/輸出(GPIO)引腳(15)高級(jí)的仿真特性1)分析和設(shè)置斷點(diǎn)的功能2)實(shí)時(shí)的

16、硬件調(diào)試(16)開(kāi)發(fā)工具1) ANSI C/C+編譯器/匯編程序/連接器2)支持TMS320C24x/240x的指令3)代碼編輯集成環(huán)境4)DSP/BIOS5 ) JTAG掃描控制器(TI或第三方的)6)硬件評(píng)估板(17)低功耗模式和節(jié)能模式1)支持空閑模式、等待模式、掛起模式2)停止單個(gè)外圍的時(shí)鐘(18)封裝方式1)帶外部存儲(chǔ)器接口的179球形觸點(diǎn)BGA封裝2)帶外部存儲(chǔ)器接口的176引腳低剖面四芯線扁平LQFP封裝3)沒(méi)有外部存儲(chǔ)器接口的128引腳貼片正方扁平PBK封裝(19)溫度選擇1) A:-40 +852) S:-40 +1253.3.1 DSPTMS320F2808的性能特性TMS

17、320F2808是TMS320C28x系列的一種，TMS320F2808執(zhí)行速度達(dá)100MIPS，幾乎所有的指令都可在50ns的單周期內(nèi)完成。如此高的性能可以對(duì)非常復(fù)雜的控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，如自適應(yīng)控制和矢量控制的坐標(biāo)變換等，此外，還可支持非常高的采樣率，以減小循環(huán)延時(shí)，為數(shù)字電機(jī)控制器提供了很方便的應(yīng)用。F2808具有用于高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能所必需的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)還具有單片機(jī)控制應(yīng)用方案所需的外設(shè)功能。F2808采用亞微米CMOS制造工藝，使功耗極低，此外，還具有幾種進(jìn)一步降低功耗的省電方式。作為系統(tǒng)管理器，DSP必須具備強(qiáng)大的片內(nèi)I/O和其它外設(shè)功能。F2808片內(nèi)的事件管理器與其

18、它任何一種DSP都不同。面向應(yīng)用優(yōu)化的外設(shè)單元和高性能DSP內(nèi)核的結(jié)合，可以為所有的電機(jī)類型提供高速、高效和全變速的先進(jìn)控制技術(shù)。在該事件管理器中包括特殊的PWM產(chǎn)生功能，特殊的附加功能包括可編程的死區(qū)功能和SVPWM狀態(tài)機(jī)，后者可為三相異步電機(jī)在功率開(kāi)關(guān)機(jī)制中提供了迄今為止最高的功效。三個(gè)獨(dú)立的向上/下計(jì)數(shù)器，每一個(gè)都有屬于它自己的比較寄存器，可以支持產(chǎn)生非對(duì)稱的和對(duì)稱的PWM波形。四路捕獲輸入中的兩路可以直接連至光電編碼器的正交編碼脈沖信號(hào)。本文采用的TMS320F2808內(nèi)部集成了128K的FLASHEEPROM。FLASHEEPROM是一種永久性的存儲(chǔ)器，具有可重復(fù)編程的優(yōu)點(diǎn)。它可由D

19、SP內(nèi)核本身擦除和編程，允許用代碼來(lái)管理閃存的使用，而無(wú)需外部編程裝置。閃存的初始化編程可以用XDS510基于掃描的仿真器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在擦除/編程算法和數(shù)據(jù)中掃描進(jìn)入片內(nèi)RAM。這種帶有內(nèi)部存儲(chǔ)器的DSP產(chǎn)品無(wú)需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器，大大簡(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì)，也提高了系統(tǒng)的抗電磁兼容能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.3.2控制電路設(shè)計(jì) 使用TMS320 F2808作為控制器能最大限度的減少外圍器件的數(shù)目，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本設(shè)計(jì)中，主要使用了F2808的GPIO 口 , PWM輸出口，以及A/D口、捕獲接口CAP等。F2808的六個(gè)PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖器反相后送到驅(qū)動(dòng)電路板驅(qū)動(dòng)IGBT。對(duì)于A/D采樣口的輸入信號(hào)己經(jīng)在信號(hào)采板上做了前期的處理，直接輸入的信號(hào)是幅值在03 V的直流電壓信號(hào)，能滿足F2808對(duì)輸入模擬信號(hào)的要求。交流電機(jī)的矢量控制要求對(duì)交流電機(jī)速度進(jìn)行采樣，在本設(shè)計(jì)中使用的測(cè)速計(jì)的輸出信號(hào)符合F2808對(duì)輸入信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)，可以直接輸入DSP的CAP接口。利用DSP的引腳TZ對(duì)功率變換模塊進(jìn)行快速保護(hù)，在其他電路中出現(xiàn)嚴(yán)重超出警戒范圍的電氣參數(shù)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)低電平的外部中斷信號(hào)到該引腳，使所有的事件管理器輸出引腳都置成高阻狀態(tài)，在很