一種以DSP芯片為核心的通用型數(shù)字變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述

一種以DSP芯片為核心的通用型數(shù)字變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述DSP技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在了控制芯片的研發(fā)設(shè)計(jì)中，這也為數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用提供了更多的便利。今天我們將會(huì)為大家分享一種基于DSP芯片的通用型數(shù)字變頻器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該種方案具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好、反應(yīng)靈敏等優(yōu)勢(shì)，希望能夠?qū)Ω魑还こ處煹难邪l(fā)工作提供一定的借鑒和幫助。在本方案中，我們所設(shè)計(jì)的這種能夠多方面通用的數(shù)字控制變頻器，其電路系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成。主電路采用典型的電壓型交-直-交通用變頻器結(jié)構(gòu)?？刂齐娐分饕―SP數(shù)字控制器，由DSP、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路以及輔助電源電路組成。主電路和控制電路原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖圖1所示。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖主電路設(shè)計(jì)在圖1所給出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，我們所設(shè)計(jì)的通用型數(shù)字控制變頻器主電路的原理結(jié)構(gòu)圖如下圖圖2所示?？梢钥吹剑谶@一方案中，其主電路結(jié)構(gòu)由濾波、整流、中間濾波、泵升吸收和逆變部分組成。輸入功率級(jí)采用三相橋式不可控全波整流電路，整流輸出經(jīng)過中間環(huán)節(jié)大電容濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。整流電路將交流動(dòng)力電變?yōu)橹绷麟?，本系統(tǒng)采用不可控全波整流模塊6RI75G-120。圖2主電路原理結(jié)構(gòu)圖在主電路的設(shè)計(jì)過程中，我們?yōu)榱擞行Х乐辜夥咫妷簩?duì)整流電路的沖擊，故而在直流輸出側(cè)并聯(lián)了一個(gè)可吸收高頻電壓的聚脂乙烯電容C4，該電容的取值為0.22μF。整流電路輸出的直流電壓含有脈動(dòng)成分，逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流及負(fù)載變化也為直流電壓脈動(dòng)，由C1、C2濾波，取值為450V、470μF。在圖2所給出的主電路結(jié)構(gòu)圖中，R2、R3為均壓電阻，取值為5W、100kΩ;R1為充電限流電阻。啟動(dòng)變頻器后經(jīng)1s～2s，由J2繼電器短路，以減少變頻器正常工作時(shí)在中間直流環(huán)節(jié)上的功耗。在本方案中，這種通用型數(shù)字變頻器其逆變部分電路，主要采用EUPEC的FF300R12KE3集成模塊，這種集成模塊的內(nèi)部集成了2個(gè)IGBT單元，故而比較適合變頻逆變驅(qū)動(dòng)，其具體極限參數(shù)為集射極電壓VCES=1200V，結(jié)溫80℃時(shí)集射極電流ICE=300A，結(jié)溫25℃時(shí)集射極電流ICE=480A，允許過流600A，時(shí)間為1ms，功率損耗為1450W，門極驅(qū)動(dòng)電壓為±20V。通過圖2我們可以很清晰的看到，在這種通用型數(shù)字變頻器的主電路系統(tǒng)中，TL、RL構(gòu)成了一個(gè)泵升電壓吸收電路。當(dāng)電機(jī)負(fù)載進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導(dǎo)致直流電壓上升。當(dāng)直流電壓上升到一定值時(shí)，控制TL導(dǎo)通，將會(huì)使這部分能量消耗在電阻RL上，以此來確保變頻器可靠安全地工作。此外，由J1常閉觸點(diǎn)與R4組成斷電能量釋放電路。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或關(guān)機(jī)時(shí)，繼電器J1斷電，通過其常開觸點(diǎn)，將變頻器與電網(wǎng)斷開;而常閉觸點(diǎn)閉合，利用R4為中間回路大電容所儲(chǔ)存的能量提高釋放通道?；贒SP的控制電路設(shè)計(jì)在本方案的設(shè)計(jì)過程中，我們所采用的DSP技術(shù)集成芯片為TMS320F2812，以該芯片為核心的數(shù)字控制電路如下圖圖3所示。從圖3中可以非常清晰的看出，這一控制電路系統(tǒng)主要包括：DSP及其外圍電路、信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。其中，信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路主要完成對(duì)圖2輸出電流和輸出電壓采樣、A/D等功能，DSP產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管U1～U6。圖3變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)框圖由于我們所采用的這種DSP芯片TMS320LF240，其本身就已經(jīng)在內(nèi)部集成了采樣保持電路和模擬多路轉(zhuǎn)換器的雙十位A/D轉(zhuǎn)換，因此為了盡量充分利用芯片資源，在本方案中我們特別采用了片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用雙減法電流采樣電路，采樣方案中的運(yùn)算放大器是TLC2274，則第一運(yùn)放U8A的輸出電壓為：其中R1=R2，R3=Rn，則：同樣的，第二運(yùn)放U8A的輸出電壓可以計(jì)算為：在上述三個(gè)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，我們可以得出該變頻器數(shù)字控制的整個(gè)流程：從霍爾電流傳感器輸出的Ui=2.5±△V，此電壓先后施加到由TLC2274構(gòu)成的兩個(gè)減法電路上，第一路以Ui減去傳感器采樣結(jié)果的中值參考電壓2.5V，然后再線性放大到A/D采樣所要求的電壓范圍。第二路則相反，再中值參考電壓Uref減去傳感器輸出電壓Ui，同樣也線性放大到合適的電壓范圍。在變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，Z1、Z2為兩個(gè)3.3V的穩(wěn)壓二極管，對(duì)運(yùn)放輸出電壓起到限幅作用。當(dāng)Ui值》Uref時(shí)，則Uo1輸出為正電壓，且電壓范圍是0-3.3V，而由于二極管D2的存在使得電流不能注入到運(yùn)放中，故而第二路運(yùn)放不能輸出負(fù)電壓，而是鉗位在0V。當(dāng)Ui值在進(jìn)行這一通用型數(shù)字變頻器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，還有一個(gè)問題需要我們特別注意，那就是由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流非常大或因控制回路、驅(qū)動(dòng)電路等誤動(dòng)作，會(huì)造成輸出電路短路等故障，因此需要一種能快速檢測(cè)出過大電流的電路。這里我們主要采用2SD315A自身檢測(cè)和檢測(cè)直流母線的雙重檢測(cè)以及在故障發(fā)生時(shí)，采用軟、硬件同時(shí)封鎖的方法。為有效地保護(hù)功率IGBT和直流濾波電容，在該系統(tǒng)中我們還設(shè)計(jì)了母線電壓過欠壓保護(hù)電路，故障檢測(cè)原理如圖4所示。圖4中，6N138為一個(gè)線性光電隔離器，輸出電壓信號(hào)與母線電壓成正比，當(dāng)通過光電隔離器件后，可以直接供給DSP控制系統(tǒng)進(jìn)行采樣。同時(shí)，將輸出Vlimit信號(hào)送至DSP，觸發(fā)中斷保護(hù)。圖4故障檢測(cè)原理圖系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)基于DSP技術(shù)的數(shù)字控制是本方案中的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，該種數(shù)字控制系統(tǒng)主程序圖如下圖圖5所示。在本方案中的算法設(shè)計(jì)中，主程序模塊主要功能是完成系統(tǒng)的初始化，PLL時(shí)鐘的設(shè)定：DSP工作頻率設(shè)為20MHz。輸入輸出端口初始化。事件管理器初始化。定時(shí)器1、2、3的設(shè)定、全比較PWM單元設(shè)定、死區(qū)單元設(shè)定。QEP工作方式設(shè)定。中斷管理初始化：中