通用變頻器的硬件電路設(shè)計(jì)

1、1 通用變頻器的硬件電路設(shè)計(jì)1.1 通用變頻器的總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以TI公司的TMS320LF2407A為控制核心，由主電路、系統(tǒng)保護(hù)電路和控制電路組成，其總體設(shè)計(jì)圖如圖3.1所示。圖1.1 基于DSP的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖其中主電路部分由整流電路、濾波電路、逆變電路(IPM)和IPM驅(qū)動電路與吸收電路組成。其工作原理是把單相交流電壓通過不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷?，整流后的脈動電壓再經(jīng)過大電容C1，C2平滑后成為穩(wěn)定的直流電壓。IPM逆變電路對該直流電壓進(jìn)行斬波，形成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電，提供給電機(jī)。系統(tǒng)保護(hù)電路包括過壓、欠壓保護(hù)、限流啟動、IPM故障保護(hù)與泵升控制等。過壓、欠

2、壓保護(hù)是利用電阻分壓采集母線電壓，與規(guī)定值相比較；限流啟動是由于開啟主回路時，大電容充電瞬間引起的電流過大，這樣可能會損壞整流橋，因此在主回路上串聯(lián)限流電阻R1，當(dāng)電容電壓達(dá)到規(guī)定值時，啟動繼電器把R1短路，主回路進(jìn)入正常工作狀態(tài)；IPM故障保護(hù)是IPM內(nèi)部集成的各種保護(hù)功能，包括過電流保護(hù)功能、短路保護(hù)功能、控制電源欠電壓保護(hù)和管殼及管芯溫度過熱保護(hù)。把上述各種故障信號進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號送入DSP(TMS320LF2407A)的PDPINTA故障中斷入口，進(jìn)而封鎖DSP的PWM波輸出?？刂齐娐钒―SP最小系統(tǒng)電路、頻率輸入電路、光耦隔離電路等。最小系統(tǒng)由DSP本身和外擴(kuò)的數(shù)據(jù)S

3、RAM、程序SRAM、復(fù)位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接口JTAG電路組成，仿真接口JTAG電路是為了實(shí)現(xiàn)在線仿真，同時在調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼；頻率輸入電路可以設(shè)置系統(tǒng)要輸出的SPWM波的頻率；光耦隔離電路是為了把DSP輸出的弱電信號和主電路的強(qiáng)電信號進(jìn)行可靠隔離。1.2 主電路的設(shè)計(jì)主電路原理圖如下圖所示，由整流電路、濾波電路、逆變電路(IPM)和IPM的吸收電路組成。主電路采用典型的交直交電壓源型通用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級采用單相橋式不可控整流電路RB1，整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容(由C1到C4電容組成)濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷

4、，輸出交變的主電路原理圖脈沖電壓序列。由于功率器件開關(guān)頻率過高，會產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來消除該尖峰。圖中C5為C型吸收電路，R6到R11和C6到C11組成RC型吸收電路。發(fā)光二極管DS1用來顯示濾波電容兩端的電量。下面詳細(xì)介紹各個部分電路及元件參數(shù)。(被控電動機(jī)參數(shù)為：聯(lián)接，額定功率為PN=60W，額定電壓UN=220V，額定電流IN=0.28A，額定頻率fN=50Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=1400r/min。)1.2.1 整流電路整流電路由4個整流二極管組成單相不可控整流橋，它們將電源的單相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的，輸入電源多用220V，整流電

5、路為單相全波整流橋；大功率的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。本設(shè)計(jì)采用的是單相整流橋。整流二極管的計(jì)算，通過二極管的峰值電流：IM=IN=A (1.1)流過二極管電流的有效值： (1.2)二極管電流定額：In=(23)Id=1.121.68A (1.3)考慮濾波電容的充電電流影響，要有更大的電流裕量，選用In=10A。整流二極管的電壓定額：Un=Um= (1.4)選用Un=1000V。根據(jù)上面計(jì)算的電壓和電流以及市場價格和供貨情況，實(shí)際選用的單相整流橋?yàn)?0A，1000V。1.2.2 濾波電路在整流電路中輸出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負(fù)載變化也使得

6、直流電壓產(chǎn)生脈動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去禍作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負(fù)載的電動機(jī)提供必要的無功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲能電容器。在沒有加入濾波電容時，單相整流橋輸出平均直流電壓為： (1.5)加上濾波電容后，Un的最高電壓

7、可達(dá)交流線電壓的峰值： (1.6) 假設(shè)輸入電壓的波動范圍為200V240V，當(dāng)輸入電壓對應(yīng)240V的輸入，整流后的電壓為324V。又設(shè)電源功率因數(shù)為0.9，那么每一個周期，電容吸收的能量為： (1.7)式中為電機(jī)輸出功率，Upk為峰值電壓，Umin為最小交流輸入電壓?？紤]到紋波的需要，最小的交流輸入電壓應(yīng)該在200V以上，所以有： (1.8)濾波電容理論上講越大越好，實(shí)際中考慮價格我們選擇4個450伏330F的電解電容，分別兩個并聯(lián)后再2個串聯(lián)，最后等效為一個耐壓900伏330F的電容。并聯(lián)在電容兩端的為均衡電阻，由于電容的各個參數(shù)不是完全相同，此均衡電阻使串聯(lián)的電容分壓相同，同時在電源關(guān)斷

8、時，給電容提供一個放電回路，此電阻阻值選用47k。1.2.3 逆變電路逆變電路的功率開關(guān)器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為核心的智能功率模塊(IPM)。IPM的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為IGBT單元組成的三相橋臂；（見附錄1）內(nèi)含續(xù)流二極管；內(nèi)置驅(qū)動電路、保護(hù)電路和報(bào)警輸出電路。IPM管腳的功能如表1.1所示（見附錄2）IPM的選?。篒GBT正反向峰值電壓為：UM= (1.9)IGBT電壓定額為： (1.10)式中： 1.5安全裕量 1.2考慮大電容濾波后的電感升高系數(shù)IGBT通態(tài)峰值電流為：IM=IN=×= (1.11)IGBT電流定額為：IN=IM= (1.12)式中：1.5安全裕

9、量 1.2考慮電機(jī)的過載倍數(shù)故可選用l0A/600V的IPM模塊，型號為PM10CSJ060。(4)續(xù)流電路續(xù)流二極管的主要功能有：1)電動機(jī)的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。續(xù)流二極管為無功電流返回直流電源提供“通道”。2)當(dāng)頻率下降、電動機(jī)再生制動狀態(tài)時，再生電流將通過續(xù)流二極管返回直流回路。3)IGBT(Q1Q6)進(jìn)行逆變的基本工作過程：同一橋臂的兩個逆變管，處于不停的交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)。在這交替導(dǎo)通和截止的換相過程中，也不時地需要續(xù)流二極管提供通路。(5)IPM逆變器開關(guān)頻率的確定在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用SPWM逆變電路可以大大降低逆變電路輸出電壓的諧波，使逆變電路的輸出電流接近正

10、弦波。諧波的減少取決于逆變電路功率元件的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時間的限制。盡管智能功率模塊IPM的開關(guān)頻率可達(dá)1020kHz，但在確定逆變電路開關(guān)頻率時，除了應(yīng)使逆變電路輸出接近正弦波，還要考慮器件的開關(guān)損耗，以保證變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較高的效率。因此，必須全面衡量后再確定采用IPM的逆變電路的開關(guān)頻率。本系統(tǒng)開關(guān)頻率選用1.8kHz。1.2.4 以IPM為功率器件的驅(qū)動電路IPM逆變驅(qū)動接口電路如圖1.4所示(上橋臂只以U相為例)。（見附錄3）(1)驅(qū)動電源1)當(dāng)控制信號(柵極驅(qū)動)與主電流共用一個電流路徑時，由于主回路有很高的di/dt，至使在具有寄生電感的功率回路產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而導(dǎo)

11、致可能感應(yīng)到柵極把本來截止的IGBT導(dǎo)通。因此IPM驅(qū)動電源需要采用四組隔離電源。上橋臂每相各用一組電源，下橋臂三相共用一組。2)驅(qū)動電源電壓在13.5V16.5V之間，IPM能夠正常工作。若電源電壓高于16.5V，則IGBT因驅(qū)動電源電壓過高，保護(hù)性能得不到充分的保證，高于20V時IGBT管的柵極會損壞，因此絕對不能加如此高的電壓。若電源電壓低于13.5V，IGBT驅(qū)動電源電壓不足，這時控制信號為無效操作。典型的工作電壓一般取15V。3)制作驅(qū)動電源時，應(yīng)盡量降低紋波電壓，還要使電源的附加噪聲降到最小?？稍诳刂齐娫摧敵龆私?0F及0.1F的濾波電容，保持電源平穩(wěn)，修正線路阻抗。(2)控制信號

12、輸入控制電路電流與開關(guān)頻率有關(guān)(見附錄4)，因此控制端加一個上拉電阻。上拉電阻應(yīng)盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲，但又要足夠可靠地控制IPM。在PWM信號輸入端必須用高速光耦進(jìn)行隔離，一般取光耦的開關(guān)速度tPLH、tPHL<0.8us、共模抑比CMR>l0kV/us，通常的型號有：HCPL4504，TLP559，6N136，并且在光耦輸出端接一個0.1uF的退耦電容。故障信號Fo使用時必須注意，當(dāng)TFO=1.8ms(典型值)有效時，IPM會關(guān)斷開關(guān)并使輸入無效。在Fo結(jié)束后自動復(fù)位，同時輸入有效。因而在Fo輸出時系統(tǒng)必須在1.8ms內(nèi)使PWM信號無效，等故障排除后方可重新有效。低

13、速光耦可用于故障輸出端。1.3 控制電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用高性能的DSP(TMS320LF2407A)為控制核心，與頻率輸入電路、光耦隔離電路構(gòu)成了結(jié)構(gòu)比較簡單的控制系統(tǒng)。DSP(TMS320LF2407A)的最小系統(tǒng)電路DSP目標(biāo)板能為使用者提供一個方便的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)者可以根據(jù)自己實(shí)際的使用情況設(shè)計(jì)不同的目標(biāo)，本次研究使用的TMS320LF2407A目標(biāo)板是能夠開發(fā)使用DSP的最小系統(tǒng)板，它主要由TMS320LF2407A芯片、電源電路、時鐘、片外數(shù)據(jù)/程序存儲器、譯碼電路、JTAG仿真接口、外部總線擴(kuò)展接口等組成。DSP最小系統(tǒng)框圖如圖所示：圖3.11 DSP最小系統(tǒng)框圖(1)電源電路DS

14、P最小系統(tǒng)僅由一個外部5V電源供電。由于LF2407A芯片供電電壓只能是3.3V，所以在設(shè)計(jì)電路時，需要將5V電源變換為3.3V給CPU供電，因此使用了TI公司的5V/3.3V電源轉(zhuǎn)換芯片TPS767D301，該芯片最大輸出電流為1A。電路如下圖所示：電源轉(zhuǎn)換電路 (2)時鐘系統(tǒng)主時鐘輸出信號CLKOUT1是由片內(nèi)時鐘發(fā)生器產(chǎn)生的，其頻率是源時鐘信號CLKIN的分頻或倍頻。時鐘發(fā)生器由兩個獨(dú)立元件、一個振蕩器和一個鎖相環(huán)(PLL)組成。內(nèi)部振蕩器CLKIN和CLKOUT1信號，使CLKOUT1=CLK1N/2。PLL可使CLKOUT1的頻率是CLKIN頻率的一個倍數(shù)，并將CLKOUT1的相位鎖

15、定在從CLKIN上。電路如下圖所示。通過一個連接于XTAL1/CLKIN和XTAL2引腳之間的晶振產(chǎn)生源時鐘信號，以啟動內(nèi)部振蕩器。時鐘電路(3)JTAG仿真接口電路幾乎所有的高速控制器和可編程器件都配有標(biāo)準(zhǔn)仿真接口JTAG，LF2407A也不例外。JTAG掃描邏輯電路用于仿真和測試，采用JTAG可實(shí)現(xiàn)在線仿真，同時也是調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)、代碼的唯一通道。通過JTAG接口可將仿真器與目標(biāo)系統(tǒng)相連接。JTAG接口符合IEEE1149.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為了與仿真器通信，DSP控制板必須帶有14引腳的雙排直插管座。LF240ADSP和14針仿真插座連接的電路如圖3.15所示。圖3.15 JTAG引腳圖1.

16、3.1 頻率信號輸入電路本變頻調(diào)速系統(tǒng)對應(yīng)的輸出頻率范圍是060Hz，步進(jìn)為1Hz，因此要求輸入信號可以輸入0到60中的任一個數(shù)。本系統(tǒng)采用8路撥段開關(guān)來輸入8路高、低電平對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)0、1，這8位二進(jìn)制數(shù)的值就是輸入的頻率值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸入頻率值的目的。撥段開關(guān)產(chǎn)生的這8路信號再連接到DSP的PE口，DSP采集這8路信號再在程序中作相應(yīng)的處理以產(chǎn)生對應(yīng)頻率的輸出信號。電路如下圖所示。頻率信號輸入電路1.3.2 光耦隔離電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時選擇東芝公司的光電耦合器TLP559，該光耦的開關(guān)速度tPLH=0.5s，tpHL=0.3s、共模抑制比CMR>10kV/s。電路連接時使光耦與IPM控

17、制端子間的布線最短，布線阻抗最小。TLP559為發(fā)光二極管驅(qū)動方式，dv/dt的耐量小，故采用光耦陰極接限流電阻的驅(qū)動電路形式，電路如下圖所示。光耦隔離電路附錄1IPM內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)原理圖附錄2表1.1 IPM各管腳功能表管腳功能VUPC(1)上橋臂U相驅(qū)動電源+端輸入VFO(2)上橋臂U相故障輸出端(低有效)UP(3)上橋臂U相驅(qū)動信號輸入端(低有效)VUP1(4)上橋臂U相驅(qū)動電源端輸入VVPC(5)上橋臂V相驅(qū)動電源+端輸入VFO(6)上橋臂V相故障輸出端(低有效)VP(7)上橋臂V相驅(qū)動信號輸入端(低有效)VVP1(8)上橋臂V相驅(qū)動電源端輸入VWPC(9)上橋臂W相驅(qū)動電源+端輸入WFO(10)上橋臂W相故障輸出端(低有效)WP(11)上橋臂W相驅(qū)動信號輸入端(低有效)VWP1(12)上橋臂W相驅(qū)動電源端輸入VNC(13)下橋臂共用驅(qū)動電源端輸入